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给天体做“普查”,“郭守敬”有何新发现

2018-08-08 12:55:43 光明日报

  8月7日,中国科学院国家天文台宣布,由其管理和运行的国家重大科技基础设施郭守敬望远镜(LAMOST)已圆满完成一期光谱巡天观测。一期巡天从2012年9月至2017年6月,共发布光谱901万条,其中高质量光谱(信噪比大于10)777万条,确定534万组恒星光谱参数。LAMOST发布的光谱数是世界上其他巡天项目发布光谱数总和的1.8倍。一期巡天数据集已于2017年12月31日对国内天文学家和国际合作者发布。

  “LAMOST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’。”中国科学院院士、LAMOST运行和发展中心总工程师崔向群说:“它所取得的观测结果填补了中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。”应用LAMOST的海量数据,结合其他手段的精细观测,科学家们已经取得了一系列成果。

  1、给银河系重新画像的“画师”

  据中国科学院国家天文台研究员、LAMOST运行与发展中心主任赵刚介绍,LAMOST覆盖了北半球的大面积天区,再加上海量数据的优势,让人类对银河系的认识又前进了一步。

  例如,科学家们重新认识了银河系主体部分——银盘的大小。银盘是恒星、尘埃和气体组成的扁平盘,在银河系可探测到的物质中,有九成都在银盘范围以内。原来科学家们认为银盘的半径约为5万光年,但目前科学家们推测,半径在10万光年左右。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。相关成果还改写了银河系晕的结构特征,认为银河系晕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,对于理解银河系恒星晕的形成历史和演化提出了新的挑战。

  再如,科学家们在运动学和化学空间发现了银河系并合形成的新证据。在运动学空间发现7个源自银河系并合过程的新星流,占国际同类发现总数的一半;在化学空间发现了33颗丰度不同于普通恒星的“低α丰度恒星”,是国际其他同类发现总数的两倍。而银河系的旋转曲线是研究银河系质量分布最为有力和直接的手段。利用LAMOST数据计算出迄今为止最为精确的外盘旋转曲线并构建了银河系的质量模型,估算出银河系的质量和太阳邻域暗物质密度。“太阳附近暗物质所占比例非常低,这给我们直接探测暗物质带来了巨大困难。”赵刚说,“利用LAMOST数据对太阳附近的暗物质密度进行了重新估算,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。”

  2、了解恒星的“分析仪”

  据赵刚介绍,LAMOST精确估算了上百万颗恒星的年龄,使具有精确年龄的恒星样本增加了一千倍,为银河系演化研究提供了基础数据。测量了近6000颗类太阳恒星的磁活动指数,发现太阳具有与超级耀斑恒星相当的磁活动水平,证实太阳有爆发超级耀斑的可能。

  宇宙中,我们有没有同类?地外是否存在生命?这一直是人类想要解开的谜题。对此,LAMOST也作出了贡献——它首次测量了近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。赵刚说:“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。”

  此外,科学家们还利用LAMOST数据发现了一类新的太阳系外行星族群——热海星,它们与热木星有几个相同的标志特征,为揭开热木星和其他短周期行星起源提供了关键的线索和崭新的研究方向。

  3、搜寻奇异天体的“捕手”

  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。寻找奇异天体,有助于我们了解宇宙演化的进程和规律。在这方面,LAMOST不仅为我们提供了海量数据,而且它初筛的结果也为全世界其他天文学家利用地面现有的大口径望远镜进行更加精细的跟踪研究提供了宝贵资源。”

  发现万余颗宇宙“化石”——年老的贫金属星。贫金属星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”。在LAMOST光谱中已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。同时,发现了一批极其稀有的、锂元素含量超过正常值上百倍的小质量贫金属星,对小质量恒星结构和演化提供全新的理论研究视角。

  发现五个“逃跑者”——能逃出银河系的超高速星。超高速星速度很高,最终能够脱离银河系引力束缚。LAMOST发现了五颗超高速星。目前世界上已证认的超高速星仅有20余颗。它们为深入研究这类“逃离”银河系的恒星的形成机制提供了重要的样本。

  发现大量“老年恒星”——白矮星。白矮星是绝大多数恒星最终演化的归宿,它是一种大小如地球,质量却如太阳一般的奇特天体。利用LAMOST“光谱工厂”的优势,科学家们发现了大量不同种类的白矮星,为研究恒星演化提供了更多证据。

  4、研究遥远宇宙的“探针”

  银河系外的宇宙是什么样的?它们有哪些特点?据赵刚介绍,LAMOST在遥远宇宙的研究中也有建树。

  例如,类星体是银河系外发光巨大的遥远天体,其能源来自于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。赵刚说:“在LAMOST光谱中,我们已发现了1.2万余颗类星体,他们的平均红移为1.5,最高红移为5。此外,我们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。”

  而近邻主星系样本是21世纪开始的大规模星系光谱巡天中的经典之作。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。LAMOST巡天中将这些遗漏的星系作为补充星系样本进行观测。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,新增认证了近万个密近星系对,对星系并合过程的研究具有重要科学价值。

  据赵刚介绍,经过一年的调试,LAMOST将于2018年9月开始为期五年的第二期巡天。“我们也呼吁国家能够尽快开建更大口径的光学望远镜,在天体的‘人口普查’之后,进行有针对性的精细研究。”

  (本报北京8月7日电 本报记者 齐芳)

编辑:谷永光
 

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