光譜大數(shù)據(jù)來(lái)自耿耿星河_數(shù)據(jù)分析師

黑暗的燕山之巔，瞪著一只亮閃閃的眼——郭守敬望遠(yuǎn)鏡（LAMOST），3月底，其獲得的首批220萬(wàn)條巡天光譜數(shù)據(jù)正式向世界發(fā)布。

LAMOST是光譜加工廠，每個(gè)觀測(cè)夜經(jīng)“流水線”生產(chǎn)出萬(wàn)余條天體光譜，被譽(yù)為是實(shí)現(xiàn)“更大口徑的大視場(chǎng)望遠(yuǎn)鏡的最佳方案”。

星光不再模糊

LAMOST，是“大天區(qū)面積多目標(biāo)光纖光譜天文望遠(yuǎn)鏡”的英文縮寫，位于北京北邊200公里的河北興隆縣，中國(guó)科學(xué)院國(guó)家天文臺(tái)興隆觀測(cè)站。觀測(cè)站于1968年建站，2009年LAMOST建成前已運(yùn)轉(zhuǎn)多年，有一架2.16米口徑的光學(xué)望遠(yuǎn)鏡。

跟2.16米望遠(yuǎn)鏡相比，LAMOST更大：它占據(jù)三棟6—10層高的筒狀塔樓。星光經(jīng)過(guò)兩面鏡子的先后反射，在接收端被光纖傳給16臺(tái)光譜儀。光譜儀像三棱鏡一樣，把光線分離成光譜，由32臺(tái)靈敏的CCD相機(jī)記錄。

夜間穹頂打開(kāi)，隨地球轉(zhuǎn)動(dòng)的LAMOST，掃過(guò)北半球的中天。遙遠(yuǎn)的星光投到LAMOST的鏡片上，開(kāi)始是一團(tuán)模糊；LAMOST迅速調(diào)整，讓接收端出現(xiàn)了清晰的像斑。

LAMOST的巨鏡采用了主動(dòng)光學(xué)技術(shù)。所謂主動(dòng)光學(xué)，就是主動(dòng)改變鏡片形狀，克服由于重力、溫度和風(fēng)力造成的鏡面本身形變對(duì)成像帶來(lái)的影響，使成像更加清晰。像LAMOST這樣在一個(gè)光學(xué)系統(tǒng)中同時(shí)應(yīng)用兩塊大口徑拼接鏡面，是前所未有的。

一塊大鏡面做出精確微調(diào)是很難的。LAMOST的Ma鏡由24塊六邊形鏡片拼接而成，如蜂窩；每塊子鏡1.1米長(zhǎng)，25毫米厚；整個(gè)Ma鏡長(zhǎng)5.7米，寬4.4米。Mb子鏡長(zhǎng)度與Ma類似，厚度為75毫米，是球面。

國(guó)際上用光纖板打孔插光纖和機(jī)械手放置光纖只能到數(shù)百根，而LAMOST大大增加光纖數(shù)量。直徑1.75米的成像焦面之上，密密麻麻地分布著4000根光纖單元（國(guó)際上同類設(shè)備僅640根）。4000根光纖的自動(dòng)定位系統(tǒng)可在數(shù)分鐘的時(shí)間內(nèi)將光纖按星表位置精確定位，最大定位誤差僅40微米。

這樣，每次觀測(cè)可獲得多達(dá)4000個(gè)天體光譜，中科院國(guó)家天文臺(tái)臺(tái)長(zhǎng)嚴(yán)俊說(shuō)，“相當(dāng)于同時(shí)啟動(dòng)4000臺(tái)望遠(yuǎn)鏡”。

LAMOST復(fù)雜的設(shè)計(jì)和制造，全部由中國(guó)科學(xué)家完成。著名的望遠(yuǎn)鏡專家、主動(dòng)光學(xué)發(fā)明人Wilson評(píng)價(jià)說(shuō)：“LAMOST是主動(dòng)光學(xué)最先進(jìn)和雄心勃勃的應(yīng)用，其成功對(duì)未來(lái)望遠(yuǎn)鏡發(fā)展具有根本性的意義?！?/span>

海量數(shù)據(jù)，世界分享

宇宙浩瀚，斗轉(zhuǎn)星移。眾多的天體是如何產(chǎn)生的？數(shù)以百億計(jì)算的星系又是怎樣演化的？在這些問(wèn)題的探索中，光譜的獲取是揭開(kāi)這些天體之謎的一把鑰匙。

在星系探索中，包含著極其豐富信息的光譜起了非常關(guān)鍵的作用。其中星系的光譜可以提供距離、構(gòu)成、分布和運(yùn)動(dòng)等信息，而恒星的光譜則包含構(gòu)成、光度、溫度、化學(xué)組成、空間分布和演化歷史等資訊。從大量天體的光譜觀測(cè)中還可以發(fā)現(xiàn)許多奇異的天體和天體現(xiàn)象。所有這些，將促進(jìn)人類對(duì)宇宙演化規(guī)律、物質(zhì)結(jié)構(gòu)、相互作用等最基本物理規(guī)律的新認(rèn)識(shí)。

然而，對(duì)望遠(yuǎn)鏡來(lái)說(shuō)，“看得多”與“看得清”，是魚和熊掌，難以兼得。但LAMOST看得又多又清。

嚴(yán)俊說(shuō)，LAMOST不僅是世界上口徑最大的光譜巡天望遠(yuǎn)鏡，也是光譜獲取率最高的，是一件普查天體“戶口”的利器。2011年9月至2013年6月，它完成的第一批數(shù)據(jù)集包含220萬(wàn)條光譜，已超過(guò)目前世界上所有已知恒星巡天項(xiàng)目的光譜總數(shù)。

2014年12月，第二批數(shù)據(jù)集對(duì)國(guó)內(nèi)天文學(xué)家和國(guó)際合作者發(fā)布，共有413萬(wàn)條天體光譜，其中高質(zhì)量光譜327萬(wàn)，還包括一個(gè)220萬(wàn)顆恒星的光譜參數(shù)星表。

與郭守敬時(shí)代不同，隨著LAMOST這樣的巡天望遠(yuǎn)鏡的應(yīng)用，如今用于天文學(xué)研究的數(shù)據(jù)非常富余。“LAMOST會(huì)給全球科學(xué)家提供一個(gè)完備的樣本，供他們?nèi)パ芯堪l(fā)現(xiàn)?！敝袊?guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)教授褚耀泉說(shuō)。

中科院院士、LAMOST運(yùn)行和發(fā)展中心總工程師崔向群指出，“第一期光譜巡天計(jì)劃在5年時(shí)間里獲得超過(guò)500萬(wàn)條高質(zhì)量的光譜，海量的光譜數(shù)據(jù)將成為‘?dāng)?shù)字銀河系’的重要基石，對(duì)于研究銀河系的結(jié)構(gòu)、運(yùn)動(dòng)、形成和演化具有不可替代的科學(xué)意義?！备鶕?jù)天文學(xué)界慣例，在經(jīng)過(guò)一年半保護(hù)期后，這些由LAMOST光譜巡天獲得的數(shù)據(jù)資料將會(huì)向世界公布。

篩谷粒一樣發(fā)現(xiàn)新星

天文學(xué)家利用LAMOST完成的第一批數(shù)據(jù)集，取得了有影響力的成果，LAMOST運(yùn)行和發(fā)展中心常務(wù)副主任趙永恒介紹說(shuō)。

趙永恒告訴科技日?qǐng)?bào)記者，天文學(xué)家利用LAMOST在仙女星系和三角星系區(qū)域內(nèi)新發(fā)現(xiàn)近2000顆類星體，這是目前在該天區(qū)發(fā)現(xiàn)的世界上數(shù)目最多的類星體樣本?！斑@些類星體可用來(lái)探測(cè)仙女星系和三角星系及其周圍子結(jié)構(gòu)中星際介質(zhì)的化學(xué)組成、分布和運(yùn)動(dòng)學(xué)信息。”

此外，科研人員通過(guò)LAMOST發(fā)現(xiàn)了300多顆白矮星和28顆白矮-主序雙星。白矮星的光度函數(shù)可確定恒星形成率和銀河系的演化歷史；從157顆天琴RR變星中探測(cè)到了3顆天琴RR變星存在超高聲速激波現(xiàn)象。天琴RR變星對(duì)恒星結(jié)構(gòu)與演化，銀河系的形成和宇宙學(xué)的研究有重要意義；新發(fā)現(xiàn)了50顆貧金屬恒星，為研究銀河系形成和化學(xué)演化及早期宇宙中的恒星形成提供了觀測(cè)限制。

對(duì)LAMOST大樣本光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行分析研究，發(fā)現(xiàn)銀盤上方的恒星正在遠(yuǎn)離銀河系中心運(yùn)動(dòng)，并伴隨著沿盤向下運(yùn)動(dòng)的趨勢(shì)；而位于銀盤中間下方的恒星則進(jìn)行著相反方向的運(yùn)動(dòng)，這表明銀河系盤星的運(yùn)動(dòng)模式并非簡(jiǎn)單的圓周運(yùn)動(dòng)。

美國(guó)合作者利用LAMOST數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)了一顆超高速星。這是國(guó)際上已發(fā)現(xiàn)20顆超高速星中距離地球最近的。在趙永恒看來(lái)，研究超高速星能夠幫助天文學(xué)家了解黑洞附近的情況，還能了解銀河系暗物質(zhì)暈的性質(zhì)和暗物質(zhì)的分布。

LAMOST的科學(xué)目標(biāo)集中于銀河系結(jié)構(gòu)和演化，星系和宇宙學(xué)，多波段目標(biāo)證認(rèn)三個(gè)方面，它對(duì)北天可觀測(cè)的約14000平方度高銀緯天區(qū)進(jìn)行光譜巡天觀測(cè)。

同時(shí)，它將對(duì)數(shù)百萬(wàn)顆恒星進(jìn)行光譜觀測(cè)，用之于研究銀河系暈的整體結(jié)構(gòu)及亞結(jié)構(gòu)、銀河系的引力勢(shì)與物質(zhì)分布、從薄盤、厚盤到暈在反銀心方向的結(jié)構(gòu)特征、銀河系球狀星團(tuán)來(lái)源及其與銀河系結(jié)構(gòu)的關(guān)系、銀河系恒星金屬豐度分布及貧金屬星的搜尋等。LAMOST結(jié)合紅外、射電、X射線、伽馬射線巡天的大量天體的光譜觀測(cè)將在各類天體多波段交叉證認(rèn)上作出重大貢獻(xiàn)。