作者:甘晓 来源: 中国科学报 发布时间:2019/5/27 9:58:59
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LAMOST银河系研究:探寻银河的秘密

 

编者按

从广袤无垠的银河系到蔚蓝深邃的大亚湾,人类探索宇宙的脚步从未停歇。小至中微子,大至其他未知的星体,科学家在这条“通天”大道上留下了一个又一个扎实的脚印。

然而,随着许多科学问题的范围、规模、复杂性不断扩大,任何一个国家都很难只依靠自己的力量解决所有创新难题。在新的时代背景下,深化国际科技交流合作成为破解人类重大挑战的必由之路。

近年来,我国诸多大科学装置在提高自主创新能力方面发挥了重要作用,大大缩小了与发达国家的差距。与此同时,围绕这些装置建成的科学与技术中心,也具有很强的辐射、示范、引领作用,逐渐成为重要的创新“高地”。

一直以来,国家自然科学基金重大项目面向国家经济建设、社会可持续发展和科技发展的重大需求,选择具有战略意义的关键科学问题,汇集创新力量,开展多学科综合研究和学科交叉研究,充分发挥导向和带动作用,进一步提升了我国基础研究源头创新能力。

本期自然科学基金版将总结国家自然科学基金重大项目取得的研究进展,展示其取得的成绩。

富锂巨星示意图

■本报记者 甘晓

每当夜幕降临时,位于河北兴隆县燕山腹地的郭守敬望远镜(LAMOST)慢慢打开了穹顶。在这台由中国自主创新研制、目前世界上口径最大的光谱巡天望远镜中,来自遥远宇宙中的星光经过反射施密特改正板MA、球面主镜MB和焦面,再通过光纤传输到光谱仪。

7年来,LAMOST的“巡天”获得了目前世界上最大的银河系恒星光谱观测数据库。

自2014年起,在国家自然科学基金重大项目“LAMOST银河系研究”支持下,中国天文学家以LAMOST巡天数据为基础,在有关银河系的重大科学问题上取得了一系列进展。

基于千万条光谱

“迢迢牵牛星,皎皎河汉女”——牛郎星与织女星被银河相隔的现象,引发了先民的丰富想象。银河系作为一条静静的“天河”,是一个富有诗意的美好存在。

现代科学兴起后,银河系则逐渐成为天文学家最为关注的研究对象之一。为“看清”更多的天体、解开宇宙的诸多谜题,LAMOST在中国落成。

与印象中的望远镜不同,人们不是通过它直接给天体拍照,而是获取天体的可见光波段的光谱。科学家靠光谱分析,获得遥远的天体信息。犹如人的指纹各不相同,不同元素都会在特定波长位置留下自己独特的印记。只要能够获取天体发出的光,就可以通过光谱分析知道这个天体到底由什么物质构成。

其中,星系的光谱可以提供距离、化学构成和视向运动等信息,而恒星的光谱则能够推断化学成分、温度、年龄、质量和演化历史等。从大量天体的光谱观测中还可以发现许多奇异的天体和现象。所有这些,将促进人类对宇宙演化规律、物质结构、相互作用等最基本物理规律的新认识。

LAMOST是世界上口径最大的光谱巡天望远镜,也是一件普查天体“户口”的利器。它的建成给了中国天文学家极大的鼓舞。

“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员告诉《中国科学报》。

2013年,国家自然科学基金委员会发布重大项目“LAMOST银河系研究”申请指南,赵刚组织的研究团队申请获批。他们凝练出利用LAMOST巡天开展银河系研究的几个关键科学问题,包括银河系质量和暗物质分布、动力学模型、年轻星团与恒星形成以及银河系特殊天体及特殊物理过程。

“我们希望能最大程度地利用巡天光谱数据研究银河系的一些关键科学问题,推动中国天文学不断向前发展。”赵刚说。

揭开银河系之谜

“光谱千万条,研究第一条。”这是该重大项目研究人员经常挂在嘴边的一句话,大家是想强调拿到光谱数据之后开展科学研究的重要性。

2019年3月27日,赵刚在该重大项目结题会上,展示了一张银河系的幻灯片。深蓝色的背景映衬着一个中央扁平的黄色亮斑,亮斑由无数颜色各异的天体组成,多种成分和结构在这张图片上同时显示,足见探索银河系的复杂、高深。

“研究银河系结构、形成和演化,需要分别对银河系不同星族成分进行研究,也需要紧密结合银河系恒星形成过程、初始质量函数等多种信息。”赵刚强调。

这正是该重大项目的科学目标。5年来,科学家围绕这一科学目标取得了丰硕的成果。

LAMOST庞大的数据量成为挖掘奇异天体的“富矿”。几年前,在LAMOST海量的光谱数据中,科研人员发现了一条罕见光谱,确定其来自于一颗锂丰度异常高的恒星。

事实上,早在1981年,天文学家就曾利用一架小型望远镜首次发现了一颗特殊的恒星,它的光谱非常奇特,在本不该有谱线的地方出现了一条很强的锂线。为弄清富锂巨星的形成,科学家开始搜集这类天体样本,但只发现了极少数量的富锂巨星,难以为解决科学问题提供充足证据。

幸运的是,LAMOST在巡天观测中,找到一颗携带罕见谱线的天体。这激发了中国科学家的极大兴趣。

经过进一步跟踪观测,科研人员发现,这颗奇特恒星的质量不足太阳的1.5倍,半径约为太阳的15倍,是一颗典型的巨星。接着,他们对其锂丰度进行了精确测量,发现这颗恒星绝对锂丰度高达4.51,相当于太阳中锂含量的3000倍,是目前人类已知锂元素含量最高的巨星。

这一发现在2018年8月出版的《自然—天文》上发表。“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。”论文第一作者、中科院国家天文台助理研究员闫宏亮介绍,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。

随后,研究人员对这颗恒星锂元素的来源进行了解释。他们最终证实,这颗恒星的锂元素很可能来自恒星内部一种特殊的物质交换过程——借助一种不对称对流,向上的流速比向下流速快得多,导致很多恒星内部的原材料被带到表面,最后变成锂元素。

赵刚在该重大项目结题时表示:“这一发现将国际上富锂巨星中的锂丰度观测极限提高了一倍,同时就锂元素的合成和现有恒星演化理论提出了独树一帜的新观点。”

另一颗奇特的恒星也被LAMOST发现。前不久,《自然—天文》刊发的一篇学术文章提出,中日科学家在银晕中发现一颗银、铕、金、铀等重金属含量特别高的恒星。

在该重大项目支持下,研究人员对这颗恒星的来源进行了深入研究。论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。”

他们通过比对银晕内恒星和银河系近邻矮星系的成员星中镁、硅、钙和钛等元素的含量,判断这颗恒星属于“外来人口”,是银河系吞噬矮星系时掳去的“移民”。事实上,这印证了有关银河系形成的假说:初始的银河系不断吞噬附近的矮星系,最终形成了今天的银河系。

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余篇论文。

充分展现“大科学”特点

当前,许多科学问题的范围、规模、复杂性不断扩大,全球科学研究已经进入“大科学时代”。对此,该重大项目成员之一、中科院国家天文台副研究员李海宁深有感触:“不同领域、不同国家的科学家之间进行合作,成为一种必然。”

在执行该重大项目期间,科学家基于LAMOST的银河系研究,在多维度的合作中,充分展现当今天文学“大科学”的特点。

首先,是数据科学家与天文学家之间的通力合作。“LAMOST光谱数据量非常大,需要数据科学家先将光谱数据处理成科学家能用的数据,再由天文学家进行解释、研究。”李海宁介绍,“每一个团队几乎都有专门从事数据挖掘的科学家。”

同时,跨学科的合作也大有裨益。例如,在富锂巨星发现的同时,闫宏亮、赵刚和施建荣等研究人员,与来自中国原子能科学研究院、北京师范大学等高校院所的科学家合作,对这颗奇特恒星开展了深入的多学科专业研究。

随后,他们还结合美国“自动行星搜寻者望远镜”的高分辨率光谱和中国原子能科学研究院最新的原子数据,通过模拟再现了其内部经历的变化,从而对这颗恒星的锂元素丰度给出了合理解释。

在研究者们看来,正是一系列的合作研究,支持了恒星内部产生锂元素这一结论。

而在发现前述银河系“外来移民”的研究中,中国科学家与日本科学家开展了合作。“LAMOST发挥‘普查’作用,一旦搜寻到有趣的目标,就需要借助具有更高分辨本领的望远镜开展有针对性的精细研究。”李海宁告诉《中国科学报》。

当时,为确认这颗重金属“超标”恒星的身世,中国科学家联合日本科学家向日本国立天文台8米光学望远镜申请了观测时间,并由中国科学家主导,开展了高分辨率光谱联合观测研究。

此外,中国科学家与德国马普天文研究所、海德堡大学、慕尼黑大学等多家世界知名的天文机构建立了长期稳定的合作关系。

赵刚指出,在该重大项目支持下,银河系研究领域观测与理论上得到充分交叉与融合。“利用LAMOST海量光谱数据,中国天文学家得以揭开诸多银河系未解之谜。”

《中国科学报》 (2019-05-27 第4版 自然科学基金)
 
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