近日，中國(guó)科學(xué)院國(guó)家天文臺(tái)研究員、國(guó)家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施LAMOST運(yùn)行和發(fā)展中心主任羅阿理在 2025 科普中國(guó)說(shuō)帶來(lái)演講《光譜巡天突破：LAMOST 如何破解銀河系密碼》，一起了解這個(gè)支撐國(guó)家天文研究的“國(guó)之重器”。

以下是羅阿理的演講節(jié)選：

LAMOST ，即郭守敬望遠(yuǎn)鏡，是我國(guó)自主創(chuàng)新設(shè)計(jì)的大天區(qū)面積多目標(biāo)光纖光譜天文望遠(yuǎn)鏡，是支撐國(guó)家天文研究的重大科技基礎(chǔ)設(shè)施。

什么是“光譜天文望遠(yuǎn)鏡”，“光譜巡天”又是如何幫助我們揭開(kāi)銀河系奧秘的？讓我們先從光譜說(shuō)起。

認(rèn)識(shí)光譜：

探索天體的“鑰匙”

說(shuō)到光譜，大家可能都見(jiàn)過(guò)雨后的彩虹，當(dāng)陽(yáng)光射入水滴，會(huì)發(fā)生類似“穿過(guò)三棱鏡” 的色散現(xiàn)象，這種被分解后形成的彩色光帶，即為光譜。

恒星的光也是一樣。不同的恒星發(fā)光顏色不同，反映出其光譜中不同波長(zhǎng)光的強(qiáng)度存在差異，比如藍(lán)白色恒星溫度較高，紅褐色恒星溫度偏低。每條光譜上還有很多暗線，它們其實(shí)就是恒星大氣中的原子和分子吸收特定波長(zhǎng)的光留下的“指紋”，這種暗線叫做“吸收線”，藏著恒星溫度、壓力、化學(xué)成分、年齡等重要信息。

圖片來(lái)源于羅阿理演講PPT

即便表面溫度和壓力相似的兩顆恒星，吸收線深度也可能不同，這通常與“金屬豐度”（天文學(xué)家對(duì)恒星金屬含量的稱謂）相關(guān)。通過(guò)分析吸收線的細(xì)微差異，可推測(cè)恒星的元素組成，甚至判斷這些元素是否源自超新星爆發(fā)、中子星并合等宇宙事件。

元素周期表中的元素均來(lái)自宇宙各類物理過(guò)程，分析光譜中的元素，不僅能確定恒星的年齡與質(zhì)量，還能推斷其演化階段，所以說(shuō)，光譜對(duì)于理解物質(zhì)世界、認(rèn)識(shí)恒星及探索銀河系意義都非常重大。

LAMOST：

“光譜巡天”的國(guó)之重器

1.LAMOST 的誕生背景與命名

了解了光譜是什么、有多么重要，你是不是也認(rèn)為應(yīng)該盡可能多地拍攝光譜？但其實(shí)這并不容易。

首先，這些星光通常都很暗，我們需要大口徑的望遠(yuǎn)鏡來(lái)收集足夠的光。其次，如果一次只能拍一顆星，那效率就太低了——?jiǎng)e忘了，銀河系里有千億個(gè)恒星！我們得能一次性地觀測(cè)很多目標(biāo)，才能用來(lái)解構(gòu)銀河系。這種觀測(cè)模式，就是所謂的“光譜巡天”。

20 世紀(jì) 90 年代，中國(guó)科學(xué)家王綬琯、蘇定強(qiáng)院士提出了一個(gè)大膽的設(shè)想：用 4000 根光纖同時(shí)捕捉星光，建造可自動(dòng)定位上千顆星的望遠(yuǎn)鏡。該望遠(yuǎn)鏡被命名為 LAMOST（大天區(qū)面積多目標(biāo)光纖光譜天文望遠(yuǎn)鏡），又稱郭守敬望遠(yuǎn)鏡，以紀(jì)念元代天文學(xué)家郭守敬，位于國(guó)家天文臺(tái)興隆觀測(cè)基地（距北京約 150 公里）。

2.LAMOST 的結(jié)構(gòu)與工作原理

LAMOST 由三座建筑構(gòu)成：

左側(cè) 4 層建筑頂層裝有反射鏡面 MA，由 24 塊 1 米大小的六邊形鏡片拼接而成，可轉(zhuǎn)動(dòng)、俯仰，觀測(cè)中每塊鏡片能實(shí)時(shí)調(diào)整表面形狀；

右側(cè) 11 層建筑最高處裝有主鏡 MB，由 37 塊 1 米的凹面鏡拼接而成；

中間 8 層建筑為焦面樓，頂層焦面板上排布 4000 個(gè)光纖定位單元。

其工作原理為：MA 把星光反射到 MB ，從 MB 再聚焦到焦面板上，光纖再把光導(dǎo)到光譜儀，最終由 CCD 相機(jī)記錄這些光譜。整個(gè)過(guò)程都是自動(dòng)控制的，所以一次觀測(cè)可以得到 4000 個(gè)星的光譜，每個(gè)晚上可以得到幾萬(wàn)條的天體的光譜。

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這個(gè)復(fù)雜的觀測(cè)流程是事先規(guī)劃好的。天文學(xué)家提出感興趣的目標(biāo)并匯總成巡天星表，軟件再通過(guò)優(yōu)化算法挑出每晚最適合觀測(cè)的對(duì)象，充分利用這4000 根光纖，盡可能多地獲取光譜。計(jì)算機(jī)會(huì)實(shí)時(shí)控制各系統(tǒng)協(xié)同工作并判斷光譜是否達(dá)標(biāo)。

2012 年至今的 12 年間，LAMOST 巡天覆蓋了北半球約17000 平方度區(qū)域。LAMOST 的原始數(shù)據(jù)中，每一條豎白條紋即為一條光譜（單張圖含250 條光譜，來(lái)自兩臺(tái) CCD 相機(jī)記錄的不同波段），32 臺(tái)相機(jī)同時(shí)記錄 4000 條光譜的兩個(gè)波段。所有處理后的數(shù)據(jù)都公開(kāi)發(fā)布，供天文學(xué)家使用。到最新的第 12 期發(fā)布，我們已經(jīng)有了 2800 萬(wàn)條光譜對(duì)科學(xué)家開(kāi)放，成為科學(xué)研究最重要的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

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這些數(shù)據(jù)推動(dòng)了大樣本天文學(xué)在恒星、星系、類星體等多個(gè)方面的研究，尤其是在銀河系結(jié)構(gòu)、恒星物理方面貢獻(xiàn)比較突出，幫助我們研究銀河系的整體結(jié)構(gòu)、化學(xué)動(dòng)力學(xué)演化以及重元素合成等等問(wèn)題。同時(shí)，因?yàn)檫@個(gè)樣本足夠大，我們也有機(jī)會(huì)捕捉到那些非常罕見(jiàn)的特殊的一些天體。

LAMOST 解碼銀河系的

四大突破

LAMOST 的光譜數(shù)據(jù)正在改變著我們對(duì)銀河系的認(rèn)知。

一是關(guān)于銀河系的時(shí)空“畫(huà)像”。過(guò)去科學(xué)家認(rèn)為銀河系 “半徑” 為 5 萬(wàn)光年，但 LAMOST 數(shù)據(jù)顯示，銀河系的諸多子結(jié)構(gòu)可延伸至距銀心 10 萬(wàn)光年之外，類似 “北京城從二環(huán)擴(kuò)至五環(huán)”。同時(shí)，科學(xué)家還發(fā)現(xiàn)了銀河系的暈結(jié)構(gòu)，內(nèi)側(cè)呈扁球形，向外逐漸變圓，這一清晰的觀測(cè)結(jié)果推翻了 “恒星暈是扁球體” 的傳統(tǒng)猜測(cè)，確立了銀暈的早期新圖像。

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二是關(guān)于銀河系的“成長(zhǎng)歷程”。傳統(tǒng)假設(shè)認(rèn)為銀河系不同時(shí)期形成的恒星質(zhì)量分布大致相同，但 LAMOST 光譜分析顯示：宇宙早期形成的恒星，大質(zhì)量恒星占比更高；近期形成的中小質(zhì)量恒星中，小質(zhì)量恒星分布更廣?？茖W(xué)家們還通過(guò)分析恒星運(yùn)動(dòng)速度，推算出銀河系總質(zhì)量約等于 8 千億個(gè)太陽(yáng)。

結(jié)合 LAMOST 與歐空局 Gaia 衛(wèi)星數(shù)據(jù)，科研人員計(jì)算出了 25 萬(wàn)個(gè)有代表性的恒星的年齡，利用這些數(shù)據(jù)，清晰還原了銀河系的成長(zhǎng)史：138 億年前宇宙大爆炸，130 億年前厚盤開(kāi)始形成，110 億年前銀暈出現(xiàn)，80 億年前至今為薄盤形成與成熟階段。

什么是厚盤，什么是薄盤呢？由于銀河系是一個(gè)盤狀的星系，薄盤是銀盤中非常扁平，密度非常高的區(qū)域，是恒星誕生的主要場(chǎng)所，就是我們太陽(yáng)系所在的位置。而厚盤是包裹在銀盤之外的一個(gè)更加彌散、更加古老的恒星區(qū)域，像是薄盤外一個(gè)蓬松的外罩?！蹲匀弧返淖迦嗽u(píng)價(jià)說(shuō)，這個(gè)成果第一次如此清晰地描繪了銀河系的形成歷史。

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理解了銀河系的歷史，我們?cè)賮?lái)看看它內(nèi)部最神秘的天體之一——黑洞。黑洞是物質(zhì)密度極高的天體，是重要的“宇宙實(shí)驗(yàn)室”。在地球?qū)嶒?yàn)室上面無(wú)法達(dá)到的極端條件，在這個(gè)“宇宙實(shí)驗(yàn)室”中都可以找到。

根據(jù)理論預(yù)言，銀河系中應(yīng)當(dāng)有上千億個(gè)黑洞，但至今我們只發(fā)現(xiàn)了 20 多個(gè)，為什么那么多黑洞沒(méi)有被找到呢？主要是因?yàn)榉椒ǖ南拗?。以前用X射線搜索，這種方法并不全面，漏掉了很多黑洞。有了LAMOST以后，通過(guò)光譜多普勒效應(yīng)監(jiān)測(cè)大批恒星移動(dòng)，若恒星運(yùn)動(dòng)呈周期性擺動(dòng)，就能推測(cè)它是圍繞著一個(gè)不發(fā)光的致密天體比如黑洞、中子星在運(yùn)動(dòng)。

LAMOST 單次可觀測(cè) 20 平方度內(nèi)的 4000 個(gè)目標(biāo)，據(jù)此，科研人員發(fā)起了 “黑洞獵手” 計(jì)劃，專門來(lái)搜索這類天體。例如，我們對(duì) 3000 個(gè)恒星累計(jì)進(jìn)行了 40 個(gè)小時(shí)的觀測(cè)，就幸運(yùn)地發(fā)現(xiàn)了一個(gè)黑洞，如果用普通望遠(yuǎn)鏡來(lái)做這樣的工作要花 40 年。這就是大科學(xué)裝置帶來(lái)的革命性的效率提升。目前該計(jì)劃仍在持續(xù)發(fā)現(xiàn)新黑洞與中子星。

LAMOST 還帶領(lǐng)科研人員開(kāi)展了一場(chǎng)激動(dòng)人心的“宇宙考古”。第一代恒星是宇宙黑暗時(shí)代結(jié)束后的“第一縷曙光”，主導(dǎo)早期宇宙化學(xué)演化，但它們壽命極短、直接觀測(cè)到的概率極低。天文學(xué)家通過(guò)尋找金屬含量不足太陽(yáng)百分之一的恒星（誕生于第一代恒星死亡后的氣體云，化學(xué)成分保留第一代恒星演化特征，類似 “活化石”）研究第一代恒星。

通過(guò) LAMOST 光譜，科研人員找到了這樣一批貧金屬星候選體，并結(jié)合更大的望遠(yuǎn)鏡后續(xù)觀測(cè)，發(fā)現(xiàn)了一顆質(zhì)量達(dá)太陽(yáng) 260 倍的第一代超大質(zhì)量恒星的化學(xué)印記，它是一個(gè)對(duì)不穩(wěn)定超新星，質(zhì)量高達(dá)太陽(yáng)的 260 倍。這種研究方法就是我們說(shuō)的“銀河系考古學(xué)”。

LAMOST 甚至還給我們繪制出了銀河系的“塵埃地圖”。星際塵埃是銀河系中的重要組成部分，它會(huì)吸收和散射星光，改變天體的亮度、顏色，就像一層迷霧遮擋星光，這被稱為消光效應(yīng)。不同波長(zhǎng)的光，消光程度不同，其變化規(guī)律就叫做消光曲線。

科研人員結(jié)合 LAMOST 測(cè)得的數(shù)百萬(wàn)顆恒星參數(shù)與 Gaia 衛(wèi)星數(shù)據(jù)，通過(guò)機(jī)器學(xué)習(xí)確定 1.3 億顆恒星的消光曲線，構(gòu)建首幅覆蓋全天、深度達(dá) 16000 光年的銀河系三維塵埃消光分布圖，首次實(shí)現(xiàn)銀河系塵埃分布與消光規(guī)律的三維測(cè)繪，助力天文學(xué)家清晰探索銀河系。

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宇宙奧秘?zé)o窮，LAMOST 這類國(guó)之重器是探索星空與宇宙的“眼睛”，也許下次當(dāng)你抬頭仰望星空的時(shí)候，看到的不僅僅是璀璨的群星，還有一個(gè)正在被中國(guó)科學(xué)家一步步解碼的更加壯麗的銀河。

策劃制作

演講人丨羅阿理 中國(guó)科學(xué)院國(guó)家天文臺(tái)研究員、LAMOST 運(yùn)行和發(fā)展中心主任

責(zé)編丨楊雅萍

審校丨徐來(lái)、張林林