國(guó)之重器郭守敬望遠(yuǎn)鏡時(shí)隔9年“憋大招”——　　重新“畫(huà)像”銀河系：從“二環(huán)”擴(kuò)到“五環(huán)”

熱木星和熱海星示意圖。北京天文館 馬勁/繪制

銀河系下的LAMOST。國(guó)家天文臺(tái) 陳穎為/攝

銀盤(pán)半徑大小變化示意圖。元博/繪制

中國(guó)科學(xué)院國(guó)家天文臺(tái)研究員、郭守敬望遠(yuǎn)鏡運(yùn)行和發(fā)展中心主任趙剛張開(kāi)雙臂舉過(guò)頭頂，在空中劃過(guò)一個(gè)半弧：“就像是給銀河系重新‘畫(huà)像’，我們發(fā)現(xiàn)了一個(gè)更大的‘銀盤(pán)’！”

學(xué)界原本認(rèn)為的銀河系半徑是5萬(wàn)光年，到2017年，一下子就“擴(kuò)大”到6.2萬(wàn)光年， 2018年，半徑再次“擴(kuò)大”到10萬(wàn)光年——“這就好比銀河系從‘二環(huán)’擴(kuò)建到‘五環(huán)’。”趙剛打了這樣一個(gè)比方。

最先“看到”這種變化的，正是國(guó)家天文臺(tái)所運(yùn)行的國(guó)家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施郭守敬望遠(yuǎn)鏡——LAMOST。這個(gè)被稱作世界上口徑最大的大視場(chǎng)望遠(yuǎn)鏡，曾經(jīng)因?yàn)橥黄啤疤煳耐h(yuǎn)鏡大口徑與大視場(chǎng)難以兼得”的世界級(jí)難題而成為舉世矚目的“天文明星”。在2009年6月通過(guò)國(guó)家驗(yàn)收之后，一度低調(diào)沉默，進(jìn)入精密調(diào)試和試觀測(cè)階段。

如今時(shí)隔9年，郭守敬望遠(yuǎn)鏡歷盡天文數(shù)字才能衡量的宇宙空間奔波，終于完成一期光譜巡天觀測(cè)，迎來(lái)成果“爆發(fā)”。

有多強(qiáng)的“眼力”,才能給銀河系“畫(huà)像”？

郭守敬望遠(yuǎn)鏡是我國(guó)科學(xué)家自主創(chuàng)新研制的一架主動(dòng)反射施密特天文望遠(yuǎn)鏡。作為這臺(tái)望遠(yuǎn)鏡的管理和運(yùn)行機(jī)構(gòu)，中國(guó)科學(xué)院國(guó)家天文臺(tái)前不久宣布，郭守敬望遠(yuǎn)鏡共“產(chǎn)生”光譜901萬(wàn)條，其中高質(zhì)量光譜777萬(wàn)條，確定534萬(wàn)組恒星光譜參數(shù)。

“這些，可是世界上其他巡天項(xiàng)目發(fā)布光譜數(shù)總和的1.8倍！”趙剛說(shuō)，這些數(shù)據(jù)集已于去年年底對(duì)國(guó)內(nèi)天文學(xué)家和國(guó)際合作者發(fā)布。

相應(yīng)地，從學(xué)術(shù)成果來(lái)看，我國(guó)科學(xué)家迄今利用郭守敬望遠(yuǎn)鏡數(shù)據(jù)共發(fā)表SCI論文345篇，引用3000余次，一批高顯示度的成果引起學(xué)界關(guān)注，這其中就包括給銀河系重新“畫(huà)像”。

重新“畫(huà)像”就要重新認(rèn)識(shí)銀河系的主體部分——銀盤(pán)的大小。過(guò)去，天文學(xué)家普遍認(rèn)為，銀河系的中心附近存在一個(gè)棒狀結(jié)構(gòu)，外面呈現(xiàn)盤(pán)狀結(jié)構(gòu)、四周被較稀疏的恒星包裹，銀盤(pán)在距離銀河系中心約5萬(wàn)光年處有一個(gè)清晰的邊界——在這個(gè)邊界處，銀盤(pán)恒星的數(shù)目驟然下降，如同銀盤(pán)在此處被切割掉。

近年來(lái)，科學(xué)家在這個(gè)邊界之外陸續(xù)發(fā)現(xiàn)一些屬于銀盤(pán)的年輕恒星，這似乎暗示“銀盤(pán)的邊界應(yīng)該更大”。然而，要證實(shí)這點(diǎn)還需要對(duì)更多、更遠(yuǎn)的恒星進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。

2017年年底，中國(guó)科學(xué)院國(guó)家天文臺(tái)研究員劉超利用郭守敬望遠(yuǎn)鏡的數(shù)據(jù)清點(diǎn)了銀河系外圍恒星的數(shù)目，更遠(yuǎn)處恒星光譜特征和盤(pán)上的一致，至此，銀河系盤(pán)大小被拓展了25%，延伸到距離中心6.2萬(wàn)光年處。

“這比教科書(shū)上一直以來(lái)引用的銀河系半徑大了約1/4。”劉超說(shuō)。

次年，他帶領(lǐng)研究團(tuán)隊(duì)與西班牙加納利天體物理研究所科學(xué)家聯(lián)手，進(jìn)一步利用國(guó)際上公開(kāi)的海量恒星光譜，再次改寫(xiě)了銀盤(pán)尺寸。他們發(fā)現(xiàn)，包含了銀河系中大多數(shù)恒星所組成的盤(pán)狀結(jié)構(gòu)，可能比天文學(xué)家之前認(rèn)為的大很多——半徑可能達(dá)到約10萬(wàn)光年，“銀河系的疆界再次被大大拓展”。

劉超說(shuō)，以前由于觀測(cè)能力不足，科學(xué)家得到的有效樣本較少，也許只能在某些位置看到一兩顆星，便很難確定其結(jié)構(gòu)。銀河系的尺寸之所以會(huì)“變大”，主要是因?yàn)橛^測(cè)能力提升了，觀測(cè)的樣本多了，統(tǒng)計(jì)上就會(huì)變得更為清楚、扎實(shí)。

他說(shuō)，銀盤(pán)半徑大小被兩次刷新，從2017年發(fā)現(xiàn)增大25%，到2018年增大到一倍，這一成果使天文學(xué)家重新審視星系形成及宇宙演化的一般規(guī)律。

此外，中國(guó)科學(xué)家還根據(jù)郭守敬望遠(yuǎn)鏡最新數(shù)據(jù)改寫(xiě)了銀河系暈的結(jié)構(gòu)特征，確立為內(nèi)扁外圓的新結(jié)構(gòu)。“這一清晰的證據(jù)推翻了前人關(guān)于恒星暈是一個(gè)軸比不變的扁球體的猜測(cè)，有助于人類重新理解銀河系恒星暈的形成歷史和演化。”劉超說(shuō)。

搜尋奇異天體，能否找到“另一個(gè)地球”？

走近郭守敬望遠(yuǎn)鏡，可以看到，這個(gè)龐然大物主要由球面主鏡和主動(dòng)非球面改正鏡拼接而成，而這兩塊鏡子又是由37塊和24塊子鏡拼接而成。加之焦面上放置的4000根光纖，16臺(tái)光譜儀和32臺(tái)CCD相機(jī)，使其成為目前世界上光譜獲取率最高的望遠(yuǎn)鏡。

中國(guó)科學(xué)院院士、郭守敬望遠(yuǎn)鏡運(yùn)行和發(fā)展中心總工程師崔向群打了一個(gè)比方，郭守敬望遠(yuǎn)鏡同時(shí)具備大視場(chǎng)和大口徑的優(yōu)勢(shì)，“就像是在給天體做‘人口普查’”。

事實(shí)上，茫茫宇宙中的確存在不少“未知人口”，一旦發(fā)現(xiàn)就有望改寫(xiě)人類的認(rèn)知史。中國(guó)科學(xué)院國(guó)家天文臺(tái)副研究員李海寧說(shuō)，越是奇異的天體，越可能留存其形成演化過(guò)程中的重要信息，記錄下宇宙中稀有的奇特事件。

郭守敬望遠(yuǎn)鏡在這方面就立下不少汗馬功勞。李海寧說(shuō)，這臺(tái)望遠(yuǎn)鏡不僅為科學(xué)家提供了海量數(shù)據(jù)，還為天文學(xué)家利用其他望遠(yuǎn)鏡進(jìn)行精細(xì)跟蹤研究，提供了寶貴資源。

年老的貧金屬星，就像宇宙“化石”一樣記錄了宇宙化學(xué)演化的最初歷史，對(duì)它們的分析，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)第一代恒星和早期宇宙本質(zhì)的“恒星考古”。

李海寧說(shuō)，科學(xué)家在郭守敬望遠(yuǎn)鏡光譜中，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了萬(wàn)余顆“金屬含量低于太陽(yáng)百分之一乃至萬(wàn)分之一”的貧金屬星，構(gòu)建了目前世界上最大的、適合現(xiàn)有大望遠(yuǎn)鏡跟蹤觀測(cè)的宇宙化石樣本。

這種尋找并不容易，李海寧打了個(gè)比方，在郭守敬望遠(yuǎn)鏡近千萬(wàn)光譜中，科學(xué)家是在大海撈針般搜尋奇異天體，有一個(gè)浪漫的說(shuō)法叫“星海拾珍”。

他們還發(fā)現(xiàn)了5顆超高速星，而世界上目前已證認(rèn)的超高速星，也僅有20余顆。李海寧說(shuō)：“最新發(fā)現(xiàn)的超高速星為深入研究這類速度很高，最終能夠脫離銀河系引力束縛，‘逃離’銀河系的恒星的形成機(jī)制提供了重要的樣本。”

既然這臺(tái)望遠(yuǎn)鏡能夠找到這些“奇怪的天體”，那么能否找到地外生命和智慧生命，解開(kāi)“銀河系中有無(wú)我們的同類”這個(gè)備受關(guān)注的謎題？

趙剛說(shuō)，郭守敬望遠(yuǎn)鏡首次測(cè)量了近700顆太陽(yáng)系外行星的軌道偏心率和傾角，發(fā)現(xiàn)約八成的行星軌道都如同太陽(yáng)系的近圓形軌道。

“這表明，太陽(yáng)系在宇宙中并不是一個(gè)特例而是具有一定代表性的。在某種程度上增強(qiáng)了人類尋找另一個(gè)地球和地外生命的信心。”趙剛說(shuō)。

近些年，隨著一些重大科學(xué)發(fā)現(xiàn)的出爐，暗物質(zhì)越來(lái)越受到公眾的關(guān)注。趙剛說(shuō)，暗物質(zhì)占星系總質(zhì)量的90％以上，但大多數(shù)分布很彌散，在太陽(yáng)所在位置處暗物質(zhì)所占比例非常低。

“這就給我們直接探測(cè)暗物質(zhì)帶來(lái)了巨大困難。利用郭守敬望遠(yuǎn)鏡數(shù)據(jù)對(duì)太陽(yáng)附近的暗物質(zhì)密度進(jìn)行了重新估算。這對(duì)尋找暗物質(zhì)粒子、理解暗物質(zhì)在銀河系中的分布具有重要意義。”他說(shuō)。

銀河系外的宇宙是什么樣，未來(lái)給天體“拍視頻”？

當(dāng)然，郭守敬望遠(yuǎn)鏡的視線所及，并不局限于銀河系。即便是在銀河系之外的天體，這只“千里眼”也能瞥見(jiàn)，比如類星體。

中國(guó)科學(xué)院國(guó)家天文臺(tái)研究員、郭守敬望遠(yuǎn)鏡運(yùn)行和發(fā)展中心常務(wù)副主任趙永恒說(shuō)，類星體是銀河系外發(fā)光巨大的遙遠(yuǎn)天體，其能源來(lái)自其中心“超大質(zhì)量黑洞所吸積周?chē)镔|(zhì)”釋放的巨大引力能，是研究遙遠(yuǎn)宇宙的重要探針。

截至目前，科學(xué)家在郭守敬望遠(yuǎn)鏡光譜中，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)1.2萬(wàn)余顆類星體，他們的平均紅移為1.5，最高紅移為5。值得一提的是，“科學(xué)家還估算出了其中心黑洞質(zhì)量，這些類星體的發(fā)現(xiàn)將對(duì)大樣本類星體的統(tǒng)計(jì)研究提供重要幫助。”趙永恒說(shuō)。

近鄰主星系樣本，是21世紀(jì)開(kāi)始的大規(guī)模星系光譜巡天中的經(jīng)典之作。不過(guò)，由于光纖碰撞效應(yīng)，該樣本在小尺度上具有較高的不完備性。郭守敬望遠(yuǎn)鏡巡天中，便將這些“遺漏的星系”作為補(bǔ)充星系樣本進(jìn)行觀測(cè)。

趙永恒說(shuō)，郭守敬望遠(yuǎn)鏡由于巡天范圍廣，在一期巡天中獲得了近萬(wàn)個(gè)補(bǔ)充星系的光譜測(cè)量，新增證認(rèn)了近萬(wàn)個(gè)“密近星系對(duì)”，“這些‘密近星系對(duì)’為研究星系的并合過(guò)程具有重要的科學(xué)價(jià)值”。

這些在一定程度上幫著人類描繪銀河系外的遙遠(yuǎn)宇宙“是什么樣”“有什么特點(diǎn)”。

崔向群說(shuō)，郭守敬望遠(yuǎn)鏡在世界上是獨(dú)一無(wú)二的, 它所取得的觀測(cè)結(jié)果填補(bǔ)了我國(guó)大型天文基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的空白，為科學(xué)家們了解宇宙打開(kāi)了一扇新窗口。

趙剛透露，經(jīng)過(guò)一年的調(diào)試，郭守敬望遠(yuǎn)鏡將于今年9月開(kāi)始第二期巡天，二期巡天計(jì)劃為期5年，相比一期的“低分辨率光譜巡天”，二期主要工作為“中分辨率光譜巡天”，分辨率更高，就有著巨大的優(yōu)勢(shì)：光譜分辨率增加4倍、視向速度精度增加5倍、恒星基本參數(shù)測(cè)量精度增加1倍。

“如果說(shuō)低分辨率巡天是給天體拍照，那么中分辨率巡天就是給天體‘拍視頻’。”趙剛說(shuō)。

二期巡天有四大科學(xué)目標(biāo)：“給天體拍視頻”，探測(cè)恒星內(nèi)部結(jié)構(gòu)及雙星的演化；“尋宗問(wèn)祖”，揭秘天體化學(xué)組成DNA和家族史；探測(cè)系外行星宿主恒星及其性質(zhì)；觀測(cè)恒星形成區(qū)，揭示恒星“幼年期”的性質(zhì)。

趙剛預(yù)計(jì)，二期巡天預(yù)計(jì)可獲得約300萬(wàn)條中分辨率光譜，有望顯著提升研究恒星物理、銀河系形成及演化歷史的能力。他同時(shí)建議，有關(guān)方面應(yīng)盡快建設(shè)更大口徑即“更高視力”的光學(xué)望遠(yuǎn)鏡——“人口普查”做完了，接下來(lái)就該做“精準(zhǔn)分析”了。

中國(guó)青年報(bào)·中青在線記者 邱晨輝 來(lái)源：中國(guó)青年報(bào)

[責(zé)任編輯：楊凡、楊婷婷]

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