郭守敬巡天望遠(yuǎn)鏡構(gòu)建世界最大恒星光譜庫(kù)

　　新華社南京７月２５日電題：讓一讓，讓一讓，地球人來(lái)“查戶口”了！——郭守敬巡天望遠(yuǎn)鏡構(gòu)建世界最大恒星光譜庫(kù)

　　新華社記者蔣芳、王玨玢

　?。保玻罚鼓?，元世祖忽必烈為制訂新歷法，令天文學(xué)家郭守敬開(kāi)展“四海測(cè)驗(yàn)”，在全國(guó)范圍組織大規(guī)模天文測(cè)量。

　?。罚埃岸嗄旰?，以郭守敬命名的光譜巡天望遠(yuǎn)鏡（全稱：大天區(qū)面積多目標(biāo)光纖光譜望遠(yuǎn)鏡）探尋宇宙又獲得重要進(jìn)展。郭守敬望遠(yuǎn)鏡巡天４年來(lái)，已捕獲７００余萬(wàn)條高質(zhì)量恒星光譜，超過(guò)此前全球所有已知光譜巡天項(xiàng)目獲得數(shù)據(jù)的總和。

　　什么是光譜？天文學(xué)家說(shuō)，光譜包含著關(guān)于恒星各種特性的信息，能夠揭示星星們的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)、溫度、質(zhì)量和化學(xué)成分，類似籍貫、住址、年齡、性別、職業(yè)等每家每戶的戶籍信息……因此，巡天望遠(yuǎn)鏡堪稱宇宙“戶籍警”。

　　新華社記者近日走近位于中國(guó)科學(xué)院國(guó)家天文臺(tái)興隆觀測(cè)基地，全方位揭秘這位宇宙“戶籍警”。

　　“茄子——”４０００顆星星“出鏡”！

　　拍攝大戶人家的“全家?！闭掌?，離不開(kāi)廣角鏡頭。想象一下，如果一次要給４０００顆恒星拍攝“全家?！?，這個(gè)廣角鏡頭究竟得有多大？

　　答案是６．５米。

　　在河北省興隆縣境內(nèi)燕山主峰，一座巨大的白色建筑斜架在南麓山頂，指向天空，這就是我國(guó)自主創(chuàng)新研制的天文大科學(xué)裝置——郭守敬望遠(yuǎn)鏡。郭守敬望遠(yuǎn)鏡主鏡由３７塊邊長(zhǎng)１．１米的六角形鏡子拼接而成，相當(dāng)于直徑６．５米的圓鏡，等效通光口徑最大４．９米，視場(chǎng)（視野）直徑最大５度，焦面上容納了４０００根光纖，每次觀測(cè)可獲得多達(dá)４０００個(gè)天體的光譜。

　　什么是巡天望遠(yuǎn)鏡？為什么要一次性觀測(cè)４０００顆星？

　　這得從中國(guó)兩位“急性子”天文學(xué)家——王綬琯院士和蘇定強(qiáng)院士說(shuō)起。

　　上世紀(jì)８０年代，王綬琯和蘇定強(qiáng)提出一個(gè)暢想：“如果僅靠現(xiàn)有的望遠(yuǎn)鏡巡查天體的光譜，星空浩瀚，天文學(xué)家窮盡一生也無(wú)法觀測(cè)完成，我們必須看得既遠(yuǎn)又快?！?/p>

　　“我們需要一臺(tái)大視場(chǎng)兼大口徑光學(xué)天文望遠(yuǎn)鏡，視場(chǎng)要非常大，否則無(wú)法讓足夠多的星星出鏡；同時(shí)又要看得非常遠(yuǎn)，否則不可能觀測(cè)到銀河系甚至河外星系。通俗點(diǎn)說(shuō)，就是一臺(tái)同時(shí)大廣角加深焦距的超級(jí)照相機(jī)?！惫鼐赐h(yuǎn)鏡項(xiàng)目總工程師、中國(guó)科學(xué)院院士崔向群說(shuō)。

　?。玻埃保材?，這一暢想變成現(xiàn)實(shí)：世界上第一臺(tái)大視場(chǎng)兼大口徑光學(xué)天文望遠(yuǎn)鏡在中國(guó)科學(xué)院國(guó)家天文臺(tái)興隆觀測(cè)基地建成。

　　每當(dāng)夜幕降臨，巨大的穹頂緩緩打開(kāi)，由２４塊邊長(zhǎng)１．１米的六角形鏡片拼接而成的跟蹤反射鏡巨大鏡頭開(kāi)始工作。每隔一段時(shí)間，鏡片下的力促動(dòng)裝置就會(huì)調(diào)整鏡片形狀，對(duì)準(zhǔn)一個(gè)新的天區(qū)。

　　類似蜂巢的大鏡頭拼接技術(shù)、４０００根光纖的并行可控定位技術(shù)、主動(dòng)光學(xué)技術(shù)……中國(guó)天文學(xué)家的創(chuàng)新，可以更精確、更高效地獲取天體光譜信息，被國(guó)際天文界譽(yù)為“建造地面高效率的大口徑望遠(yuǎn)鏡最好的方案”。它的效率是此前世界第一的美國(guó)斯隆巡天計(jì)劃的５倍半。

　　“天文巡天，數(shù)據(jù)為王。郭守敬望遠(yuǎn)鏡第一次讓我國(guó)在銀河系科學(xué)研究領(lǐng)域站在世界前沿，從數(shù)據(jù)產(chǎn)出來(lái)看，２０１２年正式巡天其水平就領(lǐng)先了國(guó)際１０年?！眹?guó)家天文臺(tái)副研究員劉超說(shuō)。

　　“超級(jí)照相機(jī)”究竟拍下了什么？星星的“戶口簿”究竟長(zhǎng)啥樣？

　　在郭守敬望遠(yuǎn)鏡觀測(cè)室，記者看到，屏幕上一排排灰白相間的條紋閃閃爍爍，不僅與想象中浩瀚的星云、斑駁的星光毫無(wú)交集，甚至與七彩的光譜也相距甚遠(yuǎn)。

　　“這些條紋不起眼，但每一條都包含著一顆恒星的身份信息。如果說(shuō)漂亮的星云圖是星星的剪影，光譜圖就是它們的證件照、戶口簿，包含了真實(shí)、‘具有法律意義’的信息。”中科院南京天文光學(xué)技術(shù)研究所研究員侯永輝指著屏幕向記者介紹，比較亮的條紋就代表這顆恒星亮度較高，通過(guò)數(shù)據(jù)處理得出的一維光譜圖，就能夠分析出恒星的溫度、質(zhì)量，甚至其所含的化學(xué)成分，例如不同的三重線代表鈣或鎂。

　　自２０１２年９月啟動(dòng)巡天以來(lái)，郭守敬望遠(yuǎn)鏡共觀測(cè)了近３０００個(gè)天區(qū)，獲得了７００萬(wàn)條高質(zhì)量光譜，比世界上所有已知光譜巡天項(xiàng)目獲取的數(shù)據(jù)總數(shù)還要多，構(gòu)建了迄今為止最大的恒星光譜樣本庫(kù)。

　　為什么要給銀河系“查戶口”？

　　每天傍晚，國(guó)家天文臺(tái)觀測(cè)運(yùn)行部的天文值班員都會(huì)獲得從世界各地發(fā)來(lái)的“歷表”，向郭守敬望遠(yuǎn)鏡申請(qǐng)?zhí)囟ㄗ鴺?biāo)天區(qū)的觀測(cè)。有時(shí)候，是通過(guò)給恒星排長(zhǎng)幼次序揭示宇宙演化的規(guī)律，或是精確測(cè)定銀河系中“暗物質(zhì)”的總質(zhì)量；有時(shí)候，是觀測(cè)一個(gè)奄奄一息的“老人”——矮星，或是調(diào)查一個(gè)銀河系的“逃犯”——超高速星，甚至尋找宇宙中真實(shí)的“三體星”。

　　“在星辰大海般的宇宙征程開(kāi)始之前，天文學(xué)最大的難題其實(shí)是銀河系?！碧煳闹蛋鄦T曹子皇說(shuō)，外行認(rèn)為看得越遠(yuǎn)越難，其實(shí)系內(nèi)普查的難度要遠(yuǎn)高于系外觀測(cè)。

　　對(duì)于郭守敬望遠(yuǎn)鏡在銀河系內(nèi)“查戶口”的意義，劉超的形容更酷炫——“星際考古”。

　　“擁有千億級(jí)恒星系統(tǒng)的銀河系是目前宇宙中唯一有條件對(duì)其組成恒星進(jìn)行單體解析的星系。研究銀河系怎么從開(kāi)始的一團(tuán)原始?xì)怏w，演化出恒星、星系盤，乃至現(xiàn)在的銀河系，有助于見(jiàn)微知著，幫助我們了解宇宙發(fā)展的一般規(guī)律?！眲⒊f(shuō)。

　　“利用郭守敬望遠(yuǎn)鏡構(gòu)建的大規(guī)模恒星庫(kù)，能幫助科學(xué)家按照恒星年齡排序，比對(duì)研究不同年齡段恒星的組成和運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)?！彼又f(shuō)，“比如通過(guò)推演我們知道，第一代恒星只含有氫和氦，第二代恒星多了一點(diǎn)點(diǎn)金屬，鐵的含量是太陽(yáng)的一千萬(wàn)分之一……通過(guò)對(duì)恒星和星系‘考古’，揭示出宇宙演化不同階段的特點(diǎn)和奧秘。”

　　除了積累恒星數(shù)據(jù)回溯星系歷史，郭守敬望遠(yuǎn)鏡還取得了一項(xiàng)重要進(jìn)展：更精確地測(cè)定銀河系中的“暗物質(zhì)”質(zhì)量。

　　長(zhǎng)期以來(lái)，各國(guó)科學(xué)家都試圖更加精確地測(cè)定銀河系暗物質(zhì)質(zhì)量，以幫助物理學(xué)家發(fā)現(xiàn)暗物質(zhì)粒子，進(jìn)一步修正現(xiàn)有宇宙學(xué)理論。

　　基于目前郭守敬望遠(yuǎn)鏡觀測(cè)篩選出的４０００個(gè)恒星數(shù)據(jù)，我國(guó)科研人員測(cè)定，太陽(yáng)附近３０００光年范圍內(nèi)，暗物質(zhì)質(zhì)量為０．０１８太陽(yáng)質(zhì)量／立方秒差距。研究人員介紹，隨著巡天進(jìn)程推進(jìn)，第二次暗物質(zhì)質(zhì)量測(cè)量將采用２０萬(wàn)顆恒星數(shù)據(jù)，這一樣本量的擴(kuò)大，將把測(cè)量精度提升２至３倍。

　　即使是實(shí)際觀測(cè)中“亂入”的不速之客——超高速星，也有助于揭示宇宙黑洞這樣高大上的重磅問(wèn)題。

　　２０１４年，一個(gè)由中美兩國(guó)天文學(xué)家組成的研究團(tuán)隊(duì)利用郭守敬望遠(yuǎn)鏡，發(fā)現(xiàn)一顆距地球４萬(wàn)多光年的超高速星。這顆迄今發(fā)現(xiàn)的距地球最近的超高速星，以每小時(shí)超過(guò)１７０萬(wàn)公里的速度“逃離”銀河系中心，并將最終飛離銀河系。

　　到底是誰(shuí)“踹”了恒星一腳，讓它能逃離銀河系引力束縛呢？天文學(xué)家認(rèn)為，超高速星可能是雙星系統(tǒng)運(yùn)行到銀河系中心大質(zhì)量黑洞附近被潮汐瓦解產(chǎn)生的。“這好比本來(lái)被一根線拴在繩子兩頭的小球，被黑洞‘咔嚓’一刀剪斷了繩子，一端的球吸進(jìn)了黑洞，另一端獲得了很高的速度，快到能飛出銀河系?！辈茏踊收f(shuō)。

　　郭守敬望遠(yuǎn)鏡巡天數(shù)據(jù)逐步發(fā)布后，預(yù)計(jì)還能發(fā)現(xiàn)幾十顆各種質(zhì)量的超高速星。通過(guò)它們，天文學(xué)家期待可以對(duì)銀河系進(jìn)行更深入的研究。

　　“我們對(duì)銀河系的研究也許有朝一日會(huì)成為星際航行手冊(cè)的第一章。對(duì)今天的天文學(xué)家而言，銀河系的現(xiàn)實(shí)意義是作為一把揭開(kāi)整個(gè)宇宙演化秘密的鑰匙?！眲⒊f(shuō)。

　　“大天機(jī)”與你我有何關(guān)系？

　　宇宙浩瀚，斗轉(zhuǎn)星移。人類如果不仰望星空，我們不會(huì)有時(shí)間、方向和歷法。從世界最大射電望遠(yuǎn)鏡，到最大的大視場(chǎng)光學(xué)望遠(yuǎn)鏡……一項(xiàng)項(xiàng)道破“天機(jī)”的大型科學(xué)裝置的出現(xiàn)，中國(guó)科研維度也在不斷拓寬。

　　什么是大科學(xué)裝置？二十世紀(jì)中葉以后，科學(xué)發(fā)展一個(gè)重要特征是大科學(xué)裝置的出現(xiàn)，通常是指需通過(guò)較多資金投入和工程建設(shè)來(lái)完成，建成后通過(guò)長(zhǎng)期的穩(wěn)定運(yùn)行和持續(xù)的科學(xué)技術(shù)活動(dòng)，以實(shí)現(xiàn)重要科學(xué)技術(shù)目標(biāo)的大型設(shè)施。與一般的基本建設(shè)項(xiàng)目不同，大科學(xué)裝置具有建設(shè)規(guī)模和耗資大，技術(shù)綜合、復(fù)雜，開(kāi)放性強(qiáng)、全球合作，產(chǎn)出是科學(xué)知識(shí)和技術(shù)成果而非直接經(jīng)濟(jì)效益等特點(diǎn)。

　　這些投入巨大的尖端科技裝備，除了成為科幻電影中看著眼熟的地標(biāo)之外，究竟和普通人的生活有什么關(guān)聯(lián)？又能給現(xiàn)實(shí)社會(huì)帶來(lái)什么益處？

　　“這些科研裝置并不能立竿見(jiàn)影地改變你我今天的生活?！敝锌圃鹤辖鹕教煳呐_(tái)研究員袁強(qiáng)說(shuō)，尖端科研所需的技術(shù)條件遠(yuǎn)高于民用需要，一旦在實(shí)驗(yàn)室實(shí)現(xiàn)突破，將大大推動(dòng)民用科技發(fā)展水平。比如在尖端科研裝備制造中，硅的雜質(zhì)經(jīng)常需要控制在萬(wàn)分之一以下，這一純度遠(yuǎn)高于普通工業(yè)加工，實(shí)驗(yàn)室實(shí)現(xiàn)突破后將大大促進(jìn)國(guó)家工業(yè)提純水平。

　　隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展和科研投入比例增加，中國(guó)的科研支出增長(zhǎng)迅速。目前中國(guó)在研發(fā)上的投入占ＧＤＰ的比重已經(jīng)超過(guò)２％，這一比例比歐盟高，并且有望在２０２０年前達(dá)到２．５％，超過(guò)美國(guó)。

　　“有了大科學(xué)裝置的成功運(yùn)行，眾多科研院校和科技人員才有了高水平的技術(shù)平臺(tái)。現(xiàn)在中國(guó)有了實(shí)力，能夠發(fā)起或牽頭組織大科學(xué)計(jì)劃?！贝尴蛉赫f(shuō)。

　　國(guó)家天文臺(tái)興隆觀測(cè)基地首席科學(xué)家趙永恒認(rèn)為，任何有潛力、注重軟實(shí)力的國(guó)家，都注重尖端科研的投入，始終站在科學(xué)研究的前沿。

　　“大科學(xué)裝置本身是由多學(xué)科支撐、眾多高新技術(shù)集成和國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)的產(chǎn)物；同時(shí)也是支撐多學(xué)科與交叉學(xué)科的發(fā)展、先進(jìn)的大型公共技術(shù)平臺(tái)。它代表了國(guó)家科學(xué)基礎(chǔ)設(shè)施的水平和技術(shù)制造能力，只有擁有并善用這樣一批‘重器’，才能奠定中國(guó)在國(guó)際大科學(xué)研究中的重要地位?！壁w永恒說(shuō)。

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