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2018-08-21 02:55:17

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热木星和热海星示意图。北京天文馆 马劲/绘制

  国之重器郭守敬望远镜时隔9年“憋大招”

  ――重新“画像”银河系:从“二环”扩到“五环”

  中国科学院国家天文台研究员、郭守敬望远镜运行和发展中心主任赵刚张开双臂举过头顶,在空中划过一个半弧:“就像是给银河系重新‘画像’,我们发现了一个更大的‘银盘’!”

  学界原本认为的银河系半径是5万光年,到2017年,一下子就“扩大”到6.2万光年, 2018年,半径再次“扩大”到10万光年――“这就好比银河系从‘二环’扩建到‘五环’。”赵刚打了这样一个比方。

  最先“看到”这种变化的,正是国家天文台所运行的国家重大科技基础设施郭守敬望远镜――LAMOST。这个被称作世界上口径最大的大视场望远镜,曾经因为突破“天文望远镜大口径与大视场难以兼得”的世界级难题而成为举世瞩目的“天文明星”。在2009年6月通过国家验收之后,一度低调沉默,进入精密调试和试观测阶段。

  如今时隔9年,郭守敬望远镜历尽天文数字才能衡量的宇宙空间奔波,终于完成一期光谱巡天观测,迎来成果“爆发”。

银河系下的LAMOST。国家天文台 陈颖为/摄

  有多强的“眼力”,才能给银河系“画像”?

  郭守敬望远镜是我国科学家自主创新研制的一架主动反射施密特天文望远镜。作为这台望远镜的管理和运行机构,中国科学院国家天文台前不久宣布,郭守敬望远镜共“产生”光谱901万条,其中高质量光谱777万条,确定534万组恒星光谱参数。

  “这些,可是世界上其他巡天项目发布光谱数总和的1.8倍!”赵刚说,这些数据集已于去年年底对国内天文学家和国际合作者发布。

  相应地,从学术成果来看,我国科学家迄今利用郭守敬望远镜数据共发表SCI论文345篇,引用3000余次,一批高显示度的成果引起学界关注,这其中就包括给银河系重新“画像”。

  重新“画像”就要重新认识银河系的主体部分――银盘的大小。过去,天文学家普遍认为,银河系的中心附近存在一个棒状结构,外面呈现盘状结构、四周被较稀疏的恒星包裹,银盘在距离银河系中心约5万光年处有一个清晰的边界――在这个边界处,银盘恒星的数目骤然下降,如同银盘在此处被切割掉。

  近年来,科学家在这个边界之外陆续发现一些属于银盘的年轻恒星,这似乎暗示“银盘的边界应该更大”。然而,要证实这点还需要对更多、更远的恒星进行统计。

  2017年年底,中国科学院国家天文台研究员刘超利用郭守敬望远镜的数据清点了银河系外围恒星的数目,更远处恒星光谱特征和盘上的一致,至此,银河系盘大小被拓展了25%,延伸到距离中心6.2万光年处。

  “这比教科书上一直以来引用的银河系半径大了约1/4。”刘超说。

  次年,他带领研究团队与西班牙加纳利天体物理研究所科学家联手,进一步利用国际上公开的海量恒星光谱,再次改写了银盘尺寸。他们发现,包含了银河系中大多数恒星所组成的盘状结构,可能比天文学家之前认为的大很多――半径可能达到约10万光年,“银河系的疆界再次被大大拓展”。

  刘超说,以前由于观测能力不足,科学家得到的有效样本较少,也许只能在某些位置看到一两颗星,便很难确定其结构。银河系的尺寸之所以会“变大”,主要是因为观测能力提升了,观测的样本多了,统计上就会变得更为清楚、扎实。

  他说,银盘半径大小被两次刷新,从2017年发现增大25%,到2018年增大到一倍,这一成果使天文学家重新审视星系形成及宇宙演化的一般规律。

  此外,中国科学家还根据郭守敬望远镜最新数据改写了银河系晕的结构特征,确立为内扁外圆的新结构。“这一清晰的证据推翻了前人关于恒星晕是一个轴比不变的扁球体的猜测,有助于人类重新理解银河系恒星晕的形成历史和演化。”刘超说。

银盘半径大小变化示意图。元博/绘制

  搜寻奇异天体,能否找到“另一个地球”?

  走近郭守敬望远镜,可以看到,这个庞然大物主要由球面主镜和主动非球面改正镜拼接而成,而这两块镜子又是由37块和24块子镜拼接而成。加之焦面上放置的4000根光纤,16台光谱仪和32台CCD相机,使其成为目前世界上光谱获取率最高的望远镜。

  中国科学院院士、郭守敬望远镜运行和发展中心总工程师崔向群打了一个比方,郭守敬望远镜同时具备大视场和大口径的优势,“就像是在给天体做‘人口普查’”。

  事实上,茫茫宇宙中的确存在不少“未知人口”,一旦发现就有望改写人类的认知史。中国科学院国家天文台副研究员李海宁说,越是奇异的天体,越可能留存其形成演化过程中的重要信息,记录下宇宙中稀有的奇特事件。

  郭守敬望远镜在这方面就立下不少汗马功劳。李海宁说,这台望远镜不仅为科学家提供了海量数据,还为天文学家利用其他望远镜进行精细跟踪研究,提供了宝贵资源。

  年老的贫金属星,就像宇宙“化石”一样记录了宇宙化学演化的最初历史,对它们的分析,可以实现对第一代恒星和早期宇宙本质的“恒星考古”。

  李海宁说,科学家在郭守敬望远镜光谱中,已经发现了万余颗“金属含量低于太阳百分之一乃至万分之一”的贫金属星,构建了目前世界上最大的、适合现有大望远镜跟踪观测的宇宙化石样本。

  这种寻找并不容易,李海宁打了个比方,在郭守敬望远镜近千万光谱中,科学家是在大海捞针般搜寻奇异天体,有一个浪漫的说法叫“星海拾珍”。

  他们还发现了5颗超高速星,而世界上目前已证认的超高速星,也仅有20余颗。李海宁说:“最新发现的超高速星为深入研究这类速度很高,最终能够脱离银河系引力束缚,‘逃离’银河系的恒星的形成机制提供了重要的样本。”

  既然这台望远镜能够找到这些“奇怪的天体”,那么能否找到地外生命和智慧生命,解开“银河系中有无我们的同类”这个备受关注的谜题?

  赵刚说,郭守敬望远镜首次测量了近700颗太阳系外行星的轨道偏心率和倾角,发现约八成的行星轨道都如同太阳系的近圆形轨道。

  “这表明,太阳系在宇宙中并不是一个特例而是具有一定代表性的。在某种程度上增强了人类寻找另一个地球和地外生命的信心。”赵刚说。

  近些年,随着一些重大科学发现的出炉,暗物质越来越受到公众的关注。赵刚说,暗物质占星系总质量的90%以上,但大多数分布很弥散,在太阳所在位置处暗物质所占比例非常低。

  “这就给我们直接探测暗物质带来了巨大困难。利用郭守敬望远镜数据对太阳附近的暗物质密度进行了重新估算。这对寻找暗物质粒子、理解暗物质在银河系中的分布具有重要意义。”他说。

  银河系外的宇宙是什么样,未来给天体“拍视频”?

  当然,郭守敬望远镜的视线所及,并不局限于银河系。即便是在银河系之外的天体,这只“千里眼”也能瞥见,比如类星体。

  中国科学院国家天文台研究员、郭守敬望远镜运行和发展中心常务副主任赵永恒说,类星体是银河系外发光巨大的遥远天体,其能源来自其中心“超大质量黑洞所吸积周围物质”释放的巨大引力能,是研究遥远宇宙的重要探针。

  截至目前,科学家在郭守敬望远镜光谱中,已经发现1.2万余颗类星体,他们的平均红移为1.5,最高红移为5。值得一提的是,“科学家还估算出了其中心黑洞质量,这些类星体的发现将对大样本类星体的统计研究提供重要帮助。”赵永恒说。

  近邻主星系样本,是21世纪开始的大规模星系光谱巡天中的经典之作。不过,由于光纤碰撞效应,该样本在小尺度上具有较高的不完备性。郭守敬望远镜巡天中,便将这些“遗漏的星系”作为补充星系样本进行观测。

  赵永恒说,郭守敬望远镜由于巡天范围广,在一期巡天中获得了近万个补充星系的光谱测量,新增证认了近万个“密近星系对”,“这些‘密近星系对’为研究星系的并合过程具有重要的科学价值”。

  这些在一定程度上帮着人类描绘银河系外的遥远宇宙“是什么样”“有什么特点”。

  崔向群说,郭守敬望远镜在世界上是独一无二的, 它所取得的观测结果填补了我国大型天文基础数据的空白,为科学家们了解宇宙打开了一扇新窗口。

  赵刚透露,经过一年的调试,郭守敬望远镜将于今年9月开始第二期巡天,二期巡天计划为期5年,相比一期的“低分辨率光谱巡天”,二期主要工作为“中分辨率光谱巡天”,分辨率更高,就有着巨大的优势:光谱分辨率增加4倍、视向速度精度增加5倍、恒星基本参数测量精度增加1倍。

  “如果说低分辨率巡天是给天体拍照,那么中分辨率巡天就是给天体‘拍视频’。”赵刚说。

  二期巡天有四大科学目标:“给天体拍视频”,探测恒星内部结构及双星的演化;“寻宗问祖”,揭秘天体化学组成DNA和家族史;探测系外行星宿主恒星及其性质;观测恒星形成区,揭示恒星“幼年期”的性质。

  赵刚预计,二期巡天预计可获得约300万条中分辨率光谱,有望显著提升研究恒星物理、银河系形成及演化历史的能力。他同时建议,有关方面应尽快建设更大口径即“更高视力”的光学望远镜――“人口普查”做完了,接下来就该做“精准分析”了。

  中国青年报?中青在线记者 邱晨辉 来源:中国青年报



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