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【中国科学报】探寻银河的秘密 | 国家自然科学基金重大项目“LAMOST银河系研究”

作者 | 甘晓


編者按

從廣袤無垠的銀河系到蔚藍深邃的大亞灣,人類探索宇宙的腳步從未停歇。小至中微子,大至其他未知的星體,科學家在這條“通天”大道上留下了一個又一個紮實的腳印。

 

然而,隨著許多科學問題的範圍、規模、複雜性不斷擴大,任何一個國家都很難只依靠自己的力量解決所有創新難題。在新的時代背景下,深化國際科技交流合作成爲破解人類重大挑戰的必由之路。

 

近年來,我國諸多大科學裝置在提高自主創新能力方面發揮了重要作用,大大縮小了與發達國家的差距。與此同時,圍繞這些裝置建成的科學與技術中心,也具有很強的輻射、示範、引領作用,逐漸成爲重要的創新“高地”。

 

一直以來,國家自然科學基金重大項目面向國家經濟建設、社會可持續發展和科技發展的重大需求,選擇具有戰略意義的關鍵科學問題,彙集創新力量,開展多學科綜合研究和學科交叉研究,充分發揮導向和帶動作用,進一步提升了我國基礎研究源頭創新能力。

 

富锂巨星示意圖


每當夜幕降臨時,位于河北興隆縣燕山腹地的郭守敬望遠鏡(LAMOST)慢慢打開了穹頂。


在這台由中國自主創新研制、目前世界上口徑最大的光譜巡天望遠鏡中,來自遙遠宇宙中的星光經過反射施密特改正板MA、球面主鏡MB和焦面,再通過光纖傳輸到光譜儀。


7年來,LAMOST的“巡天”獲得了目前世界上最大的銀河系恒星光譜觀測數據庫。


自2014年起,在國家自然科學基金重大項目“LAMOST銀河系研究”支持下,中國天文學家以LAMOST巡天數據爲基礎,在有關銀河系的重大科學問題上取得了一系列進展。


基于千萬條光譜

 

“迢迢牽牛星,皎皎河漢女”——牛郎星與織女星被銀河相隔的現象,引發了先民的豐富想象。銀河系作爲一條靜靜的“天河”,是一個富有詩意的美好存在。


現代科學興起後,銀河系則逐漸成爲天文學家最爲關注的研究對象之一。爲“看清”更多的天體、解開宇宙的諸多謎題,LAMOST在中國落成。


與印象中的望遠鏡不同,人們不是通過它直接給天體拍照,而是獲取天體的可見光波段的光譜。


科學家靠光譜分析,獲得遙遠的天體信息。猶如人的指紋各不相同,不同元素都會在特定波長位置留下自己獨特的印記。


只要能夠獲取天體發出的光,就可以通過光譜分析知道這個天體到底由什麽物質構成。


其中,星系的光譜可以提供距離、化學構成和視向運動等信息,而恒星的光譜則能夠推斷化學成分、溫度、年齡、質量和演化曆史等。從大量天體的光譜觀測中還可以發現許多奇異的天體和現象。


所有這些,將促進人類對宇宙演化規律、物質結構、相互作用等最基本物理規律的新認識。


LAMOST是世界上口徑最大的光譜巡天望遠鏡,也是一件普查天體“戶口”的利器。它的建成給了中國天文學家極大的鼓舞。


“我们利用LAMOST巡天获得的光谱来研究银河系的一些关键科学问题。”中科院国家天文台LAMOST运行和发展中心主任赵刚研究員告诉《中国科学报》。


2013年,國家自然科學基金委員會發布重大項目“LAMOST銀河系研究”申請指南,趙剛組織的研究團隊申請獲批。


他們凝練出利用LAMOST巡天開展銀河系研究的幾個關鍵科學問題,包括銀河系質量和暗物質分布、動力學模型、年輕星團與恒星形成以及銀河系特殊天體及特殊物理過程。


“我們希望能最大程度地利用巡天光譜數據研究銀河系的一些關鍵科學問題,推動中國天文學不斷向前發展。”趙剛說。


揭開銀河系之謎

 

“光譜千萬條,研究第一條。”這是該重大項目研究人員經常挂在嘴邊的一句話,大家是想強調拿到光譜數據之後開展科學研究的重要性。


2019年3月27日,趙剛在該重大項目結題會上,展示了一張銀河系的幻燈片。


深藍色的背景映襯著一個中央扁平的黃色亮斑,亮斑由無數顔色各異的天體組成,多種成分和結構在這張圖片上同時顯示,足見探索銀河系的複雜、高深。


“研究銀河系結構、形成和演化,需要分別對銀河系不同星族成分進行研究,也需要緊密結合銀河系恒星形成過程、初始質量函數等多種信息。”趙剛強調。


這正是該重大項目的科學目標。5年來,科學家圍繞這一科學目標取得了豐碩的成果。


LAMOST龐大的數據量成爲挖掘奇異天體的“富礦”。


幾年前,在LAMOST海量的光譜數據中,科研人員發現了一條罕見光譜,確定其來自于一顆锂豐度異常高的恒星。


事實上,早在1981年,天文學家就曾利用一架小型望遠鏡首次發現了一顆特殊的恒星,它的光譜非常奇特,在本不該有譜線的地方出現了一條很強的锂線。


爲弄清富锂巨星的形成,科學家開始搜集這類天體樣本,但只發現了極少數量的富锂巨星,難以爲解決科學問題提供充足證據。


幸運的是,LAMOST在巡天觀測中,找到一顆攜帶罕見譜線的天體。這激發了中國科學家的極大興趣。


經過進一步跟蹤觀測,科研人員發現,這顆奇特恒星的質量不足太陽的1.5倍,半徑約爲太陽的15倍,是一顆典型的巨星。


接著,他們對其锂豐度進行了精確測量,發現這顆恒星絕對锂豐度高達4.51,相當于太陽中锂含量的3000倍,是目前人類已知锂元素含量最高的巨星。


這一發現在2018年8月出版的《自然—天文》上發表。


“富含锂元素的巨星十分稀有,其在揭示锂元素的起源和演化上具有重要意义。”論文第一作者、中科院国家天文台助理研究員闫宏亮介绍,这颗富锂恒星来自于银河系中心附近的蛇夫座方向,位于银河系盘面以北,距离地球约4500光年。


隨後,研究人員對這顆恒星锂元素的來源進行了解釋。


他們最終證實,這顆恒星的锂元素很可能來自恒星內部一種特殊的物質交換過程——借助一種不對稱對流,向上的流速比向下流速快得多,導致很多恒星內部的原材料被帶到表面,最後變成锂元素。


趙剛在該重大項目結題時表示:“這一發現將國際上富锂巨星中的锂豐度觀測極限提高了一倍,同時就锂元素的合成和現有恒星演化理論提出了獨樹一幟的新觀點。”


另一顆奇特的恒星也被LAMOST發現。


前不久,《自然—天文》刊發的一篇學術文章提出,中日科學家在銀暈中發現一顆銀、铕、金、鈾等重金屬含量特別高的恒星。


在該重大項目支持下,研究人員對這顆恒星的來源進行了深入研究。


論文通讯作者赵刚接受媒体采访时解释,由于被银河系“吃掉”的矮星系与目前“幸存”的矮星系具有相近的质量分布,因此它们的成员星也具有相似的化学特征。“所以通过研究银河系附近矮星系成员星的化学组成,我们便能获知矮星系家族里恒星的化学特征,从而像做DNA鉴定一样,把银河系内来自矮星系的恒星筛选出来。”


他們通過比對銀暈內恒星和銀河系近鄰矮星系的成員星中鎂、矽、鈣和钛等元素的含量,判斷這顆恒星屬于“外來人口”,是銀河系吞噬矮星系時擄去的“移民”。


事實上,這印證了有關銀河系形成的假說:初始的銀河系不斷吞噬附近的矮星系,最終形成了今天的銀河系。


该重大项目执行5年来,研究人员在银晕的演化与暗物质分布、银河系动力学、银河系中恒星形成过程以及银河系中特殊恒星等研究领域取得了一系列显著进展与代表性成果。这些成果在国际有影响的SCI刊物上发表了280余篇論文。


充分展現“大科學”特點

 

當前,許多科學問題的範圍、規模、複雜性不斷擴大,全球科學研究已經進入“大科學時代”。


对此,该重大项目成员之一、中科院国家天文台副研究員李海宁深有感触:“不同领域、不同国家的科学家之间进行合作,成为一种必然。”


在執行該重大項目期間,科學家基于LAMOST的銀河系研究,在多維度的合作中,充分展現當今天文學“大科學”的特點。


首先,是數據科學家與天文學家之間的通力合作。


“LAMOST光譜數據量非常大,需要數據科學家先將光譜數據處理成科學家能用的數據,再由天文學家進行解釋、研究。”李海甯介紹,“每一個團隊幾乎都有專門從事數據挖掘的科學家。”


同時,跨學科的合作也大有裨益。


例如,在富锂巨星發現的同時,闫宏亮、趙剛和施建榮等研究人員,與來自中國原子能科學研究院、北京師範大學等高校院所的科學家合作,對這顆奇特恒星開展了深入的多學科專業研究。


隨後,他們還結合美國“自動行星搜尋者望遠鏡”的高分辨率光譜和中國原子能科學研究院最新的原子數據,通過模擬再現了其內部經曆的變化,從而對這顆恒星的锂元素豐度給出了合理解釋。


在研究者們看來,正是一系列的合作研究,支持了恒星內部産生锂元素這一結論。


而在發現前述銀河系“外來移民”的研究中,中國科學家與日本科學家開展了合作。


“LAMOST發揮‘普查’作用,一旦搜尋到有趣的目標,就需要借助具有更高分辨本領的望遠鏡開展有針對性的精細研究。”李海甯告訴《中國科學報》。


當時,爲確認這顆重金屬“超標”恒星的身世,中國科學家聯合日本科學家向日本國立天文台8米光學望遠鏡申請了觀測時間,並由中國科學家主導,開展了高分辨率光譜聯合觀測研究。


此外,中國科學家與德國馬普天文研究所、海德堡大學、慕尼黑大學等多家世界知名的天文機構建立了長期穩定的合作關系。


趙剛指出,在該重大項目支持下,銀河系研究領域觀測與理論上得到充分交叉與融合。“利用LAMOST海量光譜數據,中國天文學家得以揭開諸多銀河系未解之謎。”

 

《中国科学报》 (2019-05-27 第4版 自然科学基金)