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讓一讓,地球人來“查戶口”了!
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| 郭守敬巡天望遠(yuǎn)鏡構(gòu)建世界最大恒星光譜庫 |
▲這是郭守敬巡天望遠(yuǎn)鏡(左)(7月15日攝)。
新華社記者李響攝
新華社南京7月25日電(記者蔣芳、王玨玢)1279年,元世祖忽必烈為制訂新歷法,令天文學(xué)家郭守敬開展“四海測驗”,在全國范圍組織大規(guī)模天文測量。
700多年后,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展。郭守敬望遠(yuǎn)鏡巡天4年來,已捕獲700余萬條高質(zhì)量恒星光譜,超過此前全球所有已知光譜巡天項目獲得數(shù)據(jù)的總和。
什么是光譜?天文學(xué)家說,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動狀態(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”。
新華社記者近日走進中國科學(xué)院國家天文臺興隆觀測基地,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“全家福”照片,離不開廣角鏡頭。想象一下,如果一次要給4000顆恒星拍攝“全家福”,這個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(視野)直徑最大5度,焦面上容納了4000根光纖,每次觀測可獲得多達4000個天體的光譜。
什么是巡天望遠(yuǎn)鏡?為什么要一次性觀測4000顆星?
這得從中國兩位“急性子”天文學(xué)家——王綬琯院士和蘇定強院士說起。
上世紀(jì)80年代,王綬琯和蘇定強提出一個暢想:“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)家窮盡一生也無法觀測完成,我們必須看得既遠(yuǎn)又快。”
“我們需要一臺大視場兼大口徑光學(xué)天文望遠(yuǎn)鏡,視場要非常大,否則無法讓足夠多的星星出鏡；同時又要看得非常遠(yuǎn),否則不可能觀測到銀河系甚至河外星系。通俗點說,就是一臺同時大廣角加深焦距的超級照相機。”郭守敬望遠(yuǎn)鏡項目總工程師、中國科學(xué)院院士崔向群說。
2012年,這一暢想變成現(xiàn)實:世界上第一臺大視場兼大口徑光學(xué)天文望遠(yuǎn)鏡在中國科學(xué)院國家天文臺興隆觀測基地建成。
每當(dāng)夜幕降臨,巨大的穹頂緩緩打開,由24塊邊長1.1米的六角形鏡片拼接而成的跟蹤反射鏡巨大鏡頭開始工作。每隔一段時間,鏡片下的力促動裝置就會調(diào)整鏡片形狀,對準(zhǔn)一個新的天區(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)、主動光學(xué)技術(shù)……中國天文學(xué)家的創(chuàng)新,可以更精確、更高效地獲取天體光譜信息,被國際天文界譽為“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斯隆巡天計劃的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)出來看,2012年正式巡天其水平就領(lǐng)先了國際10年。”國家天文臺副研究員劉超說。
“超級照相機”究竟拍下了什么?星星的“戶口簿”究竟長啥樣?
在郭守敬望遠(yuǎn)鏡觀測室,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、‘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月啟動巡天以來,郭守敬望遠(yuǎn)鏡共觀測了近3000個天區(qū),獲得了700萬條高質(zhì)量光譜,比世界上所有已知光譜巡天項目獲取的數(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。
為什么要給銀河系“查戶口”?
每天傍晚,國家天文臺觀測運行部的天文值班員都會獲得從世界各地發(fā)來的“歷表”,向郭守敬望遠(yuǎn)鏡申請?zhí)囟ㄗ鴺?biāo)天區(qū)的觀測。有時候,是通過給恒星排長幼次序揭示宇宙演化的規(guī)律,或是精確測定銀河系中“暗物質(zhì)”的總質(zhì)量；有時候,是觀測一個奄奄一息的“老人”——矮星,或是調(diào)查一個銀河系的“逃犯”——超高速星,甚至尋找宇宙中真實的“三體星”。
“在星辰大海般的宇宙征程開始之前,天文學(xué)最大的難題其實是銀河系。”天文值班員曹子皇說,外行認(rèn)為看得越遠(yuǎn)越難,其實系內(nèi)普查的難度要遠(yuǎn)高于系外觀測。
對于郭守敬望遠(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”。
“擁有千億級恒星系統(tǒng)的銀河系是目前宇宙中唯一有條件對其組成恒星進行單體解析的星系。研究銀河系怎么從開始的一團原始?xì)怏w,演化出恒星、星系盤,乃至現(xiàn)在的銀河系,有助于見微知著,幫助我們了解宇宙發(fā)展的一般規(guī)律。”劉超說。
“利用郭守敬望遠(yuǎn)鏡構(gòu)建的大規(guī)模恒星庫,能幫助科學(xué)家按照恒星年齡排序,比對研究不同年齡段恒星的組成和運動特點。”他接著說,“比如通過推演我們知道,第一代恒星只含有氫和氦,第二代恒星多了一點點金屬,鐵的含量是太陽的一千萬分之一……通過對恒星和星系‘考古’,揭示出宇宙演化不同階段的特點和奧秘。”
除了積累恒星數(shù)據(jù)回溯星系歷史,郭守敬望遠(yuǎn)鏡還取得了一項重要進展:更精確地測定銀河系中的“暗物質(zhì)”質(zhì)量。
長期以來,各國科學(xué)家都試圖更加精確地測定銀河系暗物質(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)鏡觀測篩選出的4000個恒星數(shù)據(jù),我國科研人員測定,太陽附近3000光年范圍內(nèi),暗物質(zhì)質(zhì)量為0.018太陽質(zhì)量/立方秒差距。研究人員介紹,隨著巡天進程推進,第二次暗物質(zhì)質(zhì)量測量將采用20萬顆恒星數(shù)據(jù),這一樣本量的擴大,將把測量精度提升2至3倍。
即使是實際觀測中“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題。
2014年,一個由中美兩國天文學(xué)家組成的研究團隊利用郭守敬望遠(yuǎn)鏡,發(fā)現(xiàn)一顆距地球4萬多光年的超高速星。這顆迄今發(fā)現(xiàn)的距地球最近的超高速星,以每小時超過170萬公里的速度“逃離”銀河系中心,并將最終飛離銀河系。
到底是誰“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,一端的球吸進了黑洞,另一端獲得了很高的速度,快到能飛出銀河系。”曹子皇說。
郭守敬望遠(yuǎn)鏡巡天數(shù)據(jù)逐步發(fā)布后,預(yù)計還能發(fā)現(xiàn)幾十顆各種質(zhì)量的超高速星。通過它們,天文學(xué)家期待可以對銀河系進行更深入的研究。
“我們對銀河系的研究也許有朝一日會成為星際航行手冊的第一章。對今天的天文學(xué)家而言,銀河系的現(xiàn)實意義是作為一把揭開整個宇宙演化秘密的鑰匙。”劉超說。
“大天機”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,我們不會有時間、方向和歷法。從世界最大射電望遠(yuǎn)鏡,到最大的大視場光學(xué)望遠(yuǎn)鏡……一項項道破“天機”的大型科學(xué)裝置的出現(xiàn),中國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)展一個重要特征是大科學(xué)裝置的出現(xiàn),通常是指需通過較多資金投入和工程建設(shè)來完成,建成后通過長期的穩(wěn)定運行和持續(xù)的科學(xué)技術(shù)活動,以實現(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,開放性強、全球合作,產(chǎn)出是科學(xué)知識和技術(shù)成果而非直接經(jīng)濟效益等特點。
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)實社會帶來什么益處?
“這些科研裝置并不能立竿見影地改變你我今天的生活。”中科院紫金山天文臺研究員袁強說,尖端科研所需的技術(shù)條件遠(yuǎn)高于民用需要,一旦在實驗室實現(xiàn)突破,將大大推動民用科技發(fā)展水平。比如在尖端科研裝備制造中,硅的雜質(zhì)經(jīng)常需要控制在萬分之一以下,這一純度遠(yuǎn)高于普通工業(yè)加工,實驗室實現(xiàn)突破后將大大促進國家工業(yè)提純水平。
隨著經(jīng)濟發(fā)展和科研投入比例增加,中國的科研支出增長迅速。目前中國在研發(fā)上的投入占GDP的比重已經(jīng)超過2%,這一比例比歐盟高,并且有望在2020年前達到2.5%,超過美國。
“有了大科學(xué)裝置的成功運行,眾多科研院校和科技人員才有了高水平的技術(shù)平臺?，F(xiàn)在中國有了實力,能夠發(fā)起或牽頭組織大科學(xué)計劃。”崔向群說。
國家天文臺興隆觀測基地首席科學(xué)家趙永恒認(rèn)為,任何有潛力、注重軟實力的國家,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)集成和國際競爭的產(chǎn)物；同時也是支撐多學(xué)科與交叉學(xué)科的發(fā)展、先進的大型公共技術(shù)平臺。它代表了國家科學(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’,才能奠定中國在國際大科學(xué)研究中的重要地位。”趙永恒說。
