郭守敬望远镜(LAMOST):一眼千星 | 观天神器

天文学“圣杯”级的发现

北京时间 2019 年 11 月 28 日上午 9:30,中国国家天文台的一场新闻发布会正在举行[1]。讲台上的刘继峰研究员,身穿深色西装,白衬衫上扎了一根大红色的领带,显得特别的喜气。这场新闻发布会显然极为重要,台下坐满了重量级的媒体记者,人民日报、新华社、光明日报、中央广播电视总台和美联社、路透社、法新社等国内外数十个知名媒体都到场了。

发布会开始后,刘继峰研究员非常自豪地说道:

这次我们利用 LAMOST 的重大发现,摘取了该领域的“圣杯”。为此,美国引力波天文台的台长大卫·莱滋(David Howard Reitze)先生,特地给我们发来贺信说,祝贺你们,这一非凡的成果将与过去四年里引力波天文台探测到双黑洞并合事件一起,推动黑洞天体物理研究的复兴。

那么,到底什么样的发现,能与 2016 年的那次轰动全世界的引力波事件相提并论呢?很多人会误以为黑洞早就已经是一个很古老的概念,而天文学家们在宇宙中已经发现了很多很多黑洞。实际上,迄今为止,人类在银河系中能够得到观测确认的黑洞也就是 20 多个。发现黑洞,准确地说,找到某个黑洞确凿的观测证据,即便是在天文学如此发达的今天,依然是极为重要的发现。更不要说,我们发现了一颗超出现有人类认知的黑洞了。

是的,我们完全可以自豪地说,这是中国天文学家为世界天文学贡献的一项“圣杯”级的发现,它极有可能彻底改写人类现有的恒星演化理论。而做出这一重要发现的功臣,就是本文故事中的主角,位于河北兴隆县的郭守敬望远镜,简称为 LAMOST,即大天区面积多目标光纤光谱天文望远镜。

那么,新发现的这个黑洞到底有什么特殊之处,为什么说极有可能改写教科书呢?你得先听我给你讲讲 LAMOST 的故事。

LAMOST:大口径+大视场

20 世纪 80 年代前,中国几乎没有自主知识产权的大型专业天文望远镜。建造属于我们国家自己的大型天文望远镜,一直是老一辈天文人的夙愿。

长期以来,在天文望远镜的设计领域始终存在着一对貌似无法兼得的性能,这就是大口径和大视场之间,它们就像鱼和熊掌。对摄影有些熟悉的朋友都知道,越是像大炮一样的打鸟镜头,取景范围其实越小。而那些超广角的镜头,反而可以做得很小巧。这就是大口径和大视场之间的矛盾,简略地说,就是“看得远”和“看得广”,无法兼得。

在上世纪 90 年代,以王绶琯、苏定强院士为首的我国天文工程团队,创造性地提出了一套鱼和熊掌一口吞的方案,这就是我们的郭守敬望远镜 LAMOST 的建造方案。它瞄准的就是国际天文界亟待解决的大口径与大视场的矛盾,希望开辟中国自主研制大口径望远镜的发展道路。

1997 年,LAMOST 方案通过审核,正式立项。这台望远镜的全称是“大天区面积多目标光纤光谱望远镜”,这是我国首个天文大科学工程。

你一定很想知道,我国的望远镜工程师是如何解决大口径和大视场矛盾的。解决方案的关键就是光纤。LAMOST 的整体结构是一台施密特反射式望远镜,来自星空的光线首先被一块称为 MA 的平面主镜反射到一块叫 MB 的凹面主镜上,光线被汇聚到 MB 镜的焦面,在焦面上迎接这些光线的是 4000 根光纤,这些光纤会把来自不同方向的光线精准地导入到光谱仪中。这个设计是极为精巧的,正因为有了 4000 根光纤,理论上我们可以同时最多观测 4000 颗不同的恒星光谱。这样就相当于获得了超级大的一个视场。因此,LAMOST 并不是像传统的光学望远镜那样能拍出很漂亮的天体照片,它拍到的是天体的光谱。

但这个原理讲起来容易,做起来那可难了。

首先,为了降低建造成本,LAMOST 的两块主镜是由 24 块和 37 块六边形的小镜子拼接而成的。望远镜在指向不同的方向时,受到地球的重力的影响也会有一点差异,因此我们就需要随时去调整每一块镜面的精确位置,让它们达到精确跟踪天体的目的。为了能让拼接镜面可以像一整片镜片那样工作,研发团队在每一块镜片的后面设计安装了促动器。这些促动器的作用除了承载镜面的重量,更重要的是调整镜面的形状。通过计算机的算法来实现千分之一毫米级的实时调整,这种技术被称为主动光学技术。中国的科研团队在主动光学技术上的创新,使得 LAMOST 项目的完成成为了可能。

让 4000 根光纤中的每一根都能精确地对准一个天体,也是一件极其困难的工程难题。LAMOST 解决这项难题的绝招叫“分区工作并行控制的光纤定位系统”。此系统将直径 1.75m 的焦面分成 4000个 直径为 33 毫米的小圆,在每个小圆上放置一个可旋转的光纤定位单元,在每个单元上放置一根光纤。然后运用计算机进行精确控制,使得望远镜可在数分钟的时间里将焦面上的 4000 根光纤按星表位置精确定位。

与硬件配套的软件,也同样重要。LAMOST 的团队在建造强大硬件系统的同时,也打造了一套非常先进的光线分析软件系统。

由于天体的光线要经过大气层、望远镜、光纤、光谱仪等介质,中间还混杂着宇宙射线、杂散光的干扰,才最终形成原始光谱,所以原始数据是没办法直接拿来用的,需要一套复杂的算法进行数据处理。这套由我国科学家团队自主研发的软件从 2004 年开始,就一直没有停止过版本的迭代,软件系统经历了 3000 多次更新,8 万多行代码,保证了 LAMOST 的数据精度达到国际先进水平。

经过五年的建设,LAMOST 终于在 2009 年 6 月顺利通过验收,开始投入工作。

LAMOST 巡天

在许多人的印象中,天文学家还是坐在天文望远镜前观测天空的形象。其实这已经是很古老的形象了。现代天文学家一般都是用望远镜先收集天体的图片和其他数据,再利用这些图片、数据去分析天体的信息。LAMOST 捕捉的是天体在可见光波段的光谱,光谱犹如人的指纹,各不相同。恒星中包含不同的元素,发出的光具有自己独特的光谱和颜色。更重要的是,天体的运动也会改变天体的光谱特征。因此,天文学家只要能得到星体的光谱,就能通过光谱分析出这个天体的物质构成、运动速度、距离远近等等众多性质,我们如果把光谱比喻成恒星的身份证一点都不过分。

LAMOST 的第一个重大成果,便是巡天光谱数过千万条。2019 年 3 月,LAMOST 七年巡天光谱数据正式发布,里面包含了 1125 万条光谱,约是国际上其他巡天项目发布光谱数之和的 2 倍。至此,郭守敬望远镜成为世界上第一个获取光谱数突破千万量级的光谱巡天项目。这些光谱数据可以说是当今世界上天区覆盖最完备、巡天体积和采样密度最大、统计一致性最好、样本数量最多的天文数据集。国内外有上百所科研单位和大学正在利用这些数据开展研究工作。

图:郭守敬望远镜的“巡天足迹”(来源:LAMOST.org)

在 LAMOST 团队为其获得庞大的光谱数据感到骄傲之时,它在同年 11 月的另一个意料之外的重大发现,又让他们兴奋不已!为了这项发现,国家天文台特地召开了一次级别非常高的新闻发布会,这在历史上也不多见。这便是本章开头里描述的那一幕。

LAMOST挑战经典恒星理论

想要听明白 LAMOST 团队到底做出了一个怎样重大的发现,我要先给你讲一点有关黑洞形成的基础知识。

你可能已经知道,黑洞是恒星生命的终点。如果一个黑洞是由一颗恒星坍缩形成的,我们就把这类黑洞称之为恒星级黑洞。一颗恒星能最终能坍缩成多大的黑洞,不仅跟这颗恒星的初始质量有关,还跟它的金属丰度和质量损失过程有关。金属丰度指的是除了氢和氦以外其他所有元素在恒星中的含量。大质量恒星的金属丰度越低,星风损失率就越低,核心坍缩形成的黑洞质量就越大。因此,并不是恒星的初始质量越大,就能形成越大的黑洞。

按照目前教科书级的恒星演化理论,在太阳的金属丰度下,一颗恒星的质量即使达到太阳的 100 倍甚至更大,在经过一系列物质损失后,其演化出的恒星级黑洞也不会超过太阳质量的 25 倍。换句话说,恒星级黑洞的质量理论上不能超过太阳质量的 25 倍。这个理论在过去的观测中也一再地得到证实,人类已经找到的二十多个恒星级黑洞,都是在20倍太阳质量以内的,完全符合理论的预言。

然而,中国天文学家的发现,却让这个教科书级的经典恒星理论出现了危机。

LAMOST 在双子座附近的天区发现了一颗特殊的恒星,所有的光谱特征都表明,这颗恒星和另外一个看不见的黑洞组成了双星系统,它们绕着共同质心旋转。我们之前说过,在银河系中发现一个新的黑洞,已经是非常重要的天文发现了。天文学家们当然很开心,他们把这个黑洞命名为 LB-1,意思就是 LAMOST 发现的第一个黑洞。

恒星和黑洞围绕共同质心旋转,天文学家就可以根据恒星的质量和它们的绕行周期计算出黑洞的质量。经过仔细的测算,天文学家们确定,LB-1 的质量大约是 70 倍太阳质量。

但这个质量一算出来,天文学家们马上就感到很疑惑,这个黑洞的质量怎么会那么大呢,它远远超过了恒星级黑洞的质量上限啊,这就有点奇怪了。

一般来说,当天文学家发现一颗恒星和一个黑洞构成双星系统时,最自然的情况就是该黑洞起源于原初双星系统。也就是说,原本有两颗恒星互相绕着转,但随着时间的推移,其中一颗恒星坍缩成了黑洞。双星系统一般都起源于同一片宇宙尘埃云,因此双星系统的两颗恒星的金属丰度也基本都是相同的。

这次 LB-1 的伴星有着与太阳相似的金属丰度,按理说,形成LB-1黑洞的恒星也是和太阳金属丰度相似,所以,在现有的恒星演化理论下,LB-1 的质量不应该超过太阳质量的25 倍。

这样一来,天文学家们不得不推翻了 LB-1 起源于原初双星系统的假设。那么,就只剩下了一种假设,那就是,这颗伴星可能是被黑洞后天俘获的。也就是说,LB-1黑洞在太空中游荡,吞吃了很多恒星后慢慢长到现在这个质量。然后,它又遇到了现在这颗恒星,并把它俘获了。

然而,这个假设也被 LAMOST 的进一步观测所否定了,证据也很硬。什么证据呢?就是 LB-1 黑洞与伴星互相绕着旋转的轨道是近乎圆形的,这个证据非常过硬。我给你解释一下为什么。

你想象一下有一个黑洞在宇宙中游荡,当有恒星靠近它时,黑洞的引力就像一只无形的手抓住恒星。根据万有引力定律,我们可以计算出,恒星与黑洞组成的绕转轨道一开始肯定是一个偏心圆,不可能是一个正圆形。当然,天体动力学的计算表明,随着时间的推演,这个轨道会慢慢地变圆,这个过程被称为轨道圆化。

轨道圆化的速度取决于黑洞对恒星的潮汐力大小。潮汐力越大,则圆化的速度越快,反之越慢。这种运动过程,是从牛顿时代就已经掌握的天体物理学知识了,可以说千锤百炼,不会错,我们现在可以在计算机中精确地模拟。

但是,我国的天文学家通过计算机模拟,发现要让LB-1 和伴星的轨道圆化成现在的样子,所需时间超过了宇宙的年龄!换句话说,俘获说也不可能成立。

如此一来,LB-1 成了现有的任何天文学理论都无法解释的一个异类。正因为这个发现如此重大,LAMOST 团队用了三年的时间反复验证数据,并且还请求西班牙 10.4 米的加纳利望远镜和美国的 10 米凯克望远镜协助观测,才敢最终确定这项重大发现。刘继峰研究员说,他们给《自然》杂志投稿的时候,审稿人给他们提了巨多的问题,经过反复修订打磨,论文才最终得以发表。

成果来之不易,但坚如磐石,这是中国天文学家对人类现代天文学作出的重大贡献之一。因为任何一个有可能推翻现有教科书级理论的发现,都有可能对人类的科学事业作出巨大的推动。

现在,LB-1 的难题摆在了天文学家们面前,截止到今天,依然还是一个未解的宇宙之谜,这是一个正在进行时的天文发现,我们可以一起期待天文学家们破解 LB-1 成因之谜的那一天。

LAMOST 的传奇只是刚刚开始

作为我国的巡天利器,LAMOST 望远镜的成果不仅仅只局限在黑洞方面。它在银河系结构与演化、恒星物理研究、特殊天体搜寻等前沿领域 都取得了一系列研究成果。

2019 年 4 月,LAMOST 发现了一颗重元素含量超高的恒星,这颗与众不同的恒星成功引起了天文学家的兴趣,我国的天文学家与日本国立天文台的天文学家合作,将这颗恒星的化学成分与矮星系恒星和银河系银晕的恒星进行了细致比较。结果是这颗恒星的化学成分与矮星系恒星高度吻合,却和银河系银晕恒星不一样。这说明该恒星来自于矮星系而非银河系,是银河系并合矮星系事件的确凿证据[2]!此类重元素含量超高的恒星,为研究银河系的并合历史提供了理想的工具,加深人们对星系形成和演化的认识。

2020 年 12 月,国家天文台从 LAMOST和盖亚空间望远镜取得的数据,发现了 591 颗高速恒星,这些恒星的运动速度远远高于其他恒星。其中 43 颗能够摆脱银河系引力束缚,最终飞出银河系[3]。在此之前,天文学家们通过望远镜一共才发现了 550 多颗高速星,而此次发现将人们发现的高速星翻倍,总量直接突破了 1000 颗,大大扩充了高速星的样本,为天文学家们研究高速星提供了更多的资料,在高速星的研究历史上具有重大的意义。

LAMOST 在银河系科学与恒星科学方面,它是世界上能力最强、成果最丰硕的望远镜之一。但这些成就仅仅是它传奇的开始,我国将启动郭守敬望远镜二期工程[4],并将工程搬至地理环境更优越的青海的冷湖镇。按照郭守敬二期工程的计划,郭守敬的口径将从 4.9m 提升至 8.4m,光纤数从 4000 根提升至 12000 根,极限星等将从 17.8 提升至 21,巡天规模将从千万级光谱提升至亿级光谱。当二期工程建成之时,由于其光谱数和极限星等的提升,LAMOST 将不仅是银河系的“守望者”,还会成为为宇宙“画像”的超级望远镜。不出意外,二期 LAMOST 的观测数据,还会刷新人类对宇宙认知。

古代的中国,曾经拥有世界上最好的观星台和全世界最敬业、最优秀的天文记录者,成就了我国古代天文学的辉煌。但是,进入到近现代之后,中国的天文事业明显落后于西方发达国家。不过,最近这十多年来,我国的天文事业取得了长足进步,一个个观天神器拔地而起。随着神州大地一个又一个观天神器的落成,世界天文学的中心,正在从西方走向东方。时代转换的大幕正在缓缓拉开,属于中国人的天文学新时代即将来临。

信源

  1. https://share.gmw.cn/topics/2019-11/27/content_33352823.htm
  2. http://www.bao.ac.cn/xwzx/gdtpxw/201904/t20190430_5286544.html
  3. https://baijiahao.baidu.com/s?id=1687041582434845682&wfr=spider&for=pc
  4. https://m.gmw.cn/baijia/2021-12/07/35365022.html

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