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一举拿下这么多世界之最,LAMOST到底是个啥?

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好消息!好消息!来自中科院国家天文台的好消息!2019年3月27日,LAMOST的7年巡天的光谱数据正式向全球发布了!

这是世界上第一个获取光谱数突破千万量级的光谱巡天项目。此次发布的LAMOSRT DR6数据集共包含1125万条光谱,其中高质量光谱达到了937万条,约是国际上其他巡天项目发布光谱数之和的2倍。同时,此次公布的数据还包括一个636万组恒星光谱参数星表,是目前世界上最大的恒星参数星表。

那么问题来了,LAMOST是个啥?

宇宙从哪里来?时间有没有起点?时间旅行是否成为可能?有没有另外一个星体也存在生命?面对这些疑问,科学家希望在从星空中寻求答案。在国家天文台北京兴隆观测站,有一座造价2.35亿的望远镜。它就是LAMOST。

对天体进行光谱分析

国家天文台兴隆观测站地处燕山主峰南麓,位于河北省兴隆县连营寨,海拔960米。每当夜色降临,观测站内的LAMOST的穹顶慢慢打开,天文学家便借助它来窥探银河系的秘密。

LAMOST,是大天区面积多目标光纤光谱天文望远镜(Large Sky Area Multi-Object Fiber Spectroscopy Telescope)的英文简称。它的中文名字,叫作郭守敬天文望远镜。这是我国目前口径最大的望远镜。它由我国自主创新设计,在多项技术上位于国际前沿,是我国国家重大科学工程之一。LAMOST在大规模光学光谱观测和大视场天文学研究方面,居于国际领先的地位。

LAMOST现阶段的使命是“巡视”银河系。LAMOST可以同时观测4000个天体,而目前世界上同类“巡天”项目望远镜,最多才可同时观测 640个天体。与我们印象中的天文望远镜不同的是,天文学家不是通过LAMOST直接观测星体,而是捕捉天体的可见光波段的光谱。科学家靠光谱分析来获知遥远星体的信息。

如我们所见的彩虹,光被空气中的水汽反射以及折射,在空中形成七彩的图案。这些彩虹般的色序就是“光谱”。1666年,牛顿发现白光是由不同颜色的光混合而成,他用三棱镜分解日光,并获得日光中的可见光的光谱。

犹如人的指纹各不相同,化学物质在燃烧时,物质中不同的元素会呈现出独特的光谱和颜色。因此天文学家只要能得到天体的光,就可以通过光谱分析,知道这个星体到底由什么物质构成,哪怕它远在宇宙的另一端。

根据光谱分析的方法,我们得知太阳的组成元素中按质量计算大约四分之三是氢,剩下的几乎都是氦,包括氧、碳、铁和其他的重元素质量少于2%;离太阳最近的恒星——4.2光年之外的比邻星,有大量的镁;冬季夜空中最亮的星星天狼星,铁的含量是太阳的 316%。

国家天文台兴隆观测站地处燕山主峰南麓,位于河北省兴隆县连营寨,海拔960米。每当夜色降临,观测站内的LAMOST的穹顶慢慢打开,天文学家便借助它来窥探银河系的秘密。

LAMOST,是大天区面积多目标光纤光谱天文望远镜(Large Sky Area Multi-Object Fiber Spectroscopy Telescope)的英文简称。它的中文名字,叫作郭守敬天文望远镜。这是我国目前口径最大的望远镜。它由我国自主创新设计,在多项技术上位于国际前沿,是我国国家重大科学工程之一。LAMOST在大规模光学光谱观测和大视场天文学研究方面,居于国际领先的地位。

LAMOST现阶段的使命是“巡视”银河系。LAMOST可以同时观测4000个天体,而目前世界上同类“巡天”项目望远镜,最多才可同时观测 640个天体。与我们印象中的天文望远镜不同的是,天文学家不是通过LAMOST直接观测星体,而是捕捉天体的可见光波段的光谱。科学家靠光谱分析来获知遥远星体的信息。

如我们所见的彩虹,光被空气中的水汽反射以及折射,在空中形成七彩的图案。这些彩虹般的色序就是“光谱”。1666年,牛顿发现白光是由不同颜色的光混合而成,他用三棱镜分解日光,并获得日光中的可见光的光谱。

犹如人的指纹各不相同,化学物质在燃烧时,物质中不同的元素会呈现出独特的光谱和颜色。因此天文学家只要能得到天体的光,就可以通过光谱分析,知道这个星体到底由什么物质构成,哪怕它远在宇宙的另一端。

根据光谱分析的方法,我们得知太阳的组成元素中按质量计算大约四分之三是氢,剩下的几乎都是氦,包括氧、碳、铁和其他的重元素质量少于2%;离太阳最近的恒星——4.2光年之外的比邻星,有大量的镁;冬季夜空中最亮的星星天狼星,铁的含量是太阳的 316%。

普查银河系内的天体

通过人口普查工作,我们可以得知居民的年龄、性别、所受教育的程度、家庭组成情况等。通过LAMOST对银河系的巡天,科学家可以知道银河系中恒星的化学组成,从而对银河系有更多的了解。施建荣是LAMOST 观测运行部主任。他说:“我们这座望远镜不是用于观测某些天体,而是对银河系进行‘人口普查’。通过对这些天体光谱的筛选,我们还可以找到一些特殊的天体。”

因为身处银河系中,人没有办法从银河系外部来观测银河系自身。直到20世纪,人们还不知道地球在银河系中的确切位置。虽然普遍认为,银河系是一个中心为棒状,有着悬臂的漩涡状星系,但关于银河系的结构,争论直到今天还在继续。

北京大学天文系承担了一个国家973项目,就是基于郭守敬望远镜的观测数据,对银河系进行研究。刘晓为是这个课题组的负责人。他说:“对于银河系的悬臂,不同的人就有不同的解释。有人说是4条旋臂,有人说是2条旋臂;有人说这个旋臂总是存在的,有人又说这个旋臂只是有时出现。”

这就如同一栋建筑,从外部观测的人,很容易看清建筑的结构;身处其中的人,却很难了解,除非你走遍每一个房间,每一个角落,借助精密的仪器及科学的计算,才能对这个建筑 有一个深入的了解。

既然人类无法跳出银河系来观察,我们就需要通过更深入地了解构成银河系的恒星来掌握更多的细节。但是之前,由于受到望远镜技术的限制,我们很难对恒星进行大规模的观测。这也正是LAMOST对银河系恒星进行巡天的意义所在。

LAMOST是怎样工作的

那么,LAMOST又是如何工作的呢?这座望远镜的光学部分由三部分组成,MA子镜 、MB主镜和焦面,星光首先照射到MA子镜,经过MA子镜的反射,到MB主镜,再由MB主镜反射到焦面。

来自天体的微弱的光成像在焦面上,5度视场、直径1.75米的焦面与4000根光纤相连。每一根光纤负责收集一颗星体的光,星光通过光纤传导到光谱仪的狭缝,然后通过光谱仪后的CCD探测器,同时获得大量天体的光谱,这样LAMOST可同时观测4000颗天体,每晚可获得光谱总量达一万多条。而这个数据在方案设计之初,对于天文学家来说,几乎是个不可想象的数字。

科学家设计了并行可控的双回转光纤定位系统,定位系统可在数分钟的时间里将焦面上的4000根光纤按星表位置精确定位。并提供光纤位置的微调,其中90%的光纤定位精度在一角秒之内。

望远镜之所以越做越大,是因为天文学家在追求它的大口径和大视场。大视场,是指望远镜可观测到的星空的面积足够大,这样就可以同时观测更多的星星。大口径,是指望远镜镜面的直径大。如同猫的眼睛,当光线暗时,猫的眼睛瞳孔放大,增加了接收光的面积,就可以看清周围的物体。望远镜的大口径是为了增加接收星光的面积,这样就可以观测到足够暗的星体。

在以前使用的三种常规光学望远镜中,意大利天文学家伽利略发明的折射望远镜具有较宽的视野,但它的镜片不能做大,因此不能同时观测足够暗的星体。英国物理学家牛顿发明的反射式望远镜,可以把镜片做大,获得大口径。但是它能够观测的范围比较小,无法获得大视场。后来,德国光学家施密特发明的折反射望远镜,能够获得大视场。但是,因为它的折射镜片太复杂,无法做大,不能同时获得大口径。因此,大口径兼大视场,似乎是个鱼和熊掌不能兼得的难题。但是LAMOST解决了这个难题。

通过对施密特望远镜的改进,LAMOST把不能做成大口径的折射镜片改成了可以做成大口径的反射镜片,从而实现了大视场兼大口径。这个反射改正镜可以在水平及垂直地心的方向调整角度,以便接收不同天区的星光。这个改变看似简单,但是在那时,绝对是一个大胆的设想,因为需要复杂的设计来支撑它的实现。

截至2015年6月,LAMOST共观测了2669个天区,对外释放了569万条光谱数据,其中还包括314万颗恒星的光谱参数星表。截至2015年7月,天文学家利用LAMOST数据,共发表SCI论文78篇。最重要的是,LAMOST为以后大望远镜的建造,提供了新的设计思路。

本文来自《科学画报》

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