國之重器郭守敬望遠鏡時隔9年“憋大招”——　　重新“畫像”銀河系：從“二環”擴到“五環”

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。國家天文臺 陳穎為/攝

銀盤半徑大小變化示意圖。元博/繪制

中國科學院國家天文臺研究員、郭守敬望遠鏡運行和發展中心主任趙剛張開雙臂舉過頭頂，在空中劃過一個半弧：“就像是給銀河系重新‘畫像’，我們發現了一個更大的‘銀盤’！”

學界原本認為的銀河系半徑是5萬光年，到2017年，一下子就“擴大”到6.2萬光年， 2018年，半徑再次“擴大”到10萬光年——“這就好比銀河系從‘二環’擴建到‘五環’。”趙剛打了這樣一個比方。

最先“看到”這種變化的，正是國家天文臺所運行的國家重大科技基礎設施郭守敬望遠鏡——LAMOST。這個被稱作世界上口徑最大的大視場望遠鏡，曾經因為突破“天文望遠鏡大口徑與大視場難以兼得”的世界級難題而成為舉世矚目的“天文明星”。在2009年6月通過國家驗收之后，一度低調沉默，進入精密調試和試觀測階段。

如今時隔9年，郭守敬望遠鏡歷盡天文數字才能衡量的宇宙空間奔波，終于完成一期光譜巡天觀測，迎來成果“爆發”。

有多強的“眼力”,才能給銀河系“畫像”？

郭守敬望遠鏡是我國科學家自主創新研制的一架主動反射施密特天文望遠鏡。作為這臺望遠鏡的管理和運行機構，中國科學院國家天文臺前不久宣布，郭守敬望遠鏡共“產生”光譜901萬條，其中高質量光譜777萬條，確定534萬組恒星光譜參數。

“這些，可是世界上其他巡天項目發布光譜數總和的1.8倍！”趙剛說，這些數據集已于去年年底對國內天文學家和國際合作者發布。

相應地，從學術成果來看，我國科學家迄今利用郭守敬望遠鏡數據共發表SCI論文345篇，引用3000余次，一批高顯示度的成果引起學界關注，這其中就包括給銀河系重新“畫像”。

重新“畫像”就要重新認識銀河系的主體部分——銀盤的大小。過去，天文學家普遍認為，銀河系的中心附近存在一個棒狀結構，外面呈現盤狀結構、四周被較稀疏的恒星包裹，銀盤在距離銀河系中心約5萬光年處有一個清晰的邊界——在這個邊界處，銀盤恒星的數目驟然下降，如同銀盤在此處被切割掉。

近年來，科學家在這個邊界之外陸續發現一些屬于銀盤的年輕恒星，這似乎暗示“銀盤的邊界應該更大”。然而，要證實這點還需要對更多、更遠的恒星進行統計。

2017年年底，中國科學院國家天文臺研究員劉超利用郭守敬望遠鏡的數據清點了銀河系外圍恒星的數目，更遠處恒星光譜特征和盤上的一致，至此，銀河系盤大小被拓展了25%，延伸到距離中心6.2萬光年處。

“這比教科書上一直以來引用的銀河系半徑大了約1/4。”劉超說。

次年，他帶領研究團隊與西班牙加納利天體物理研究所科學家聯手，進一步利用國際上公開的海量恒星光譜，再次改寫了銀盤尺寸。他們發現，包含了銀河系中大多數恒星所組成的盤狀結構，可能比天文學家之前認為的大很多——半徑可能達到約10萬光年，“銀河系的疆界再次被大大拓展”。

劉超說，以前由于觀測能力不足，科學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，便很難確定其結構。銀河系的尺寸之所以會“變大”，主要是因為觀測能力提升了，觀測的樣本多了，統計上就會變得更為清楚、扎實。

他說，銀盤半徑大小被兩次刷新，從2017年發現增大25%，到2018年增大到一倍，這一成果使天文學家重新審視星系形成及宇宙演化的一般規律。

此外，中國科學家還根據郭守敬望遠鏡最新數據改寫了銀河系暈的結構特征，確立為內扁外圓的新結構。“這一清晰的證據推翻了前人關于恒星暈是一個軸比不變的扁球體的猜測，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。

搜尋奇異天體，能否找到“另一個地球”？

走近郭守敬望遠鏡，可以看到，這個龐然大物主要由球面主鏡和主動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臺光譜儀和32臺CCD相機，使其成為目前世界上光譜獲取率最高的望遠鏡。

中國科學院院士、郭守敬望遠鏡運行和發展中心總工程師崔向群打了一個比方，郭守敬望遠鏡同時具備大視場和大口徑的優勢，“就像是在給天體做‘人口普查’”。

事實上，茫茫宇宙中的確存在不少“未知人口”，一旦發現就有望改寫人類的認知史。中國科學院國家天文臺副研究員李海寧說，越是奇異的天體，越可能留存其形成演化過程中的重要信息，記錄下宇宙中稀有的奇特事件。

郭守敬望遠鏡在這方面就立下不少汗馬功勞。李海寧說，這臺望遠鏡不僅為科學家提供了海量數據，還為天文學家利用其他望遠鏡進行精細跟蹤研究，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演化的最初歷史，對它們的分析，可以實現對第一代恒星和早期宇宙本質的“恒星考古”。

李海寧說，科學家在郭守敬望遠鏡光譜中，已經發現了萬余顆“金屬含量低于太陽百分之一乃至萬分之一”的貧金屬星，構建了目前世界上最大的、適合現有大望遠鏡跟蹤觀測的宇宙化石樣本。

這種尋找并不容易，李海寧打了個比方，在郭守敬望遠鏡近千萬光譜中，科學家是在大海撈針般搜尋奇異天體，有一個浪漫的說法叫“星海拾珍”。

他們還發現了5顆超高速星，而世界上目前已證認的超高速星，也僅有20余顆。李海寧說：“最新發現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制提供了重要的樣本。”

既然這臺望遠鏡能夠找到這些“奇怪的天體”，那么能否找到地外生命和智慧生命，解開“銀河系中有無我們的同類”這個備受關注的謎題？

趙剛說，郭守敬望遠鏡首次測量了近700顆太陽系外行星的軌道偏心率和傾角，發現約八成的行星軌道都如同太陽系的近圓形軌道。

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

近些年，隨著一些重大科學發現的出爐，暗物質越來越受到公眾的關注。趙剛說，暗物質占星系總質量的90％以上，但大多數分布很彌散，在太陽所在位置處暗物質所占比例非常低。

“這就給我們直接探測暗物質帶來了巨大困難。利用郭守敬望遠鏡數據對太陽附近的暗物質密度進行了重新估算。這對尋找暗物質粒子、理解暗物質在銀河系中的分布具有重要意義。”他說。

銀河系外的宇宙是什么樣，未來給天體“拍視頻”？

當然，郭守敬望遠鏡的視線所及，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，比如類星體。

中國科學院國家天文臺研究員、郭守敬望遠鏡運行和發展中心常務副主任趙永恒說，類星體是銀河系外發光巨大的遙遠天體，其能源來自其中心“超大質量黑洞所吸積周圍物質”釋放的巨大引力能，是研究遙遠宇宙的重要探針。

截至目前，科學家在郭守敬望遠鏡光譜中，已經發現1.2萬余顆類星體，他們的平均紅移為1.5，最高紅移為5。值得一提的是，“科學家還估算出了其中心黑洞質量，這些類星體的發現將對大樣本類星體的統計研究提供重要幫助。”趙永恒說。

近鄰主星系樣本，是21世紀開始的大規模星系光譜巡天中的經典之作。不過，由于光纖碰撞效應，該樣本在小尺度上具有較高的不完備性。郭守敬望遠鏡巡天中，便將這些“遺漏的星系”作為補充星系樣本進行觀測。

趙永恒說，郭守敬望遠鏡由于巡天范圍廣，在一期巡天中獲得了近萬個補充星系的光譜測量，新增證認了近萬個“密近星系對”，“這些‘密近星系對’為研究星系的并合過程具有重要的科學價值”。

這些在一定程度上幫著人類描繪銀河系外的遙遠宇宙“是什么樣”“有什么特點”。

崔向群說，郭守敬望遠鏡在世界上是獨一無二的, 它所取得的觀測結果填補了我國大型天文基礎數據的空白，為科學家們了解宇宙打開了一扇新窗口。

趙剛透露，經過一年的調試，郭守敬望遠鏡將于今年9月開始第二期巡天，二期巡天計劃為期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，就有著巨大的優勢：光譜分辨率增加4倍、視向速度精度增加5倍、恒星基本參數測量精度增加1倍。

“如果說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。

二期巡天有四大科學目標：“給天體拍視頻”，探測恒星內部結構及雙星的演化；“尋宗問祖”，揭秘天體化學組成DNA和家族史；探測系外行星宿主恒星及其性質；觀測恒星形成區，揭示恒星“幼年期”的性質。

趙剛預計，二期巡天預計可獲得約300萬條中分辨率光譜，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。他同時建議，有關方面應盡快建設更大口徑即“更高視力”的光學望遠鏡——“人口普查”做完了，接下來就該做“精準分析”了。

中國青年報·中青在線記者 邱晨輝 來源：中國青年報

[責任編輯：楊凡、楊婷婷]

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