LAMOST揭秘银河系新发现
LAMOST揭秘银河系新发现
2024年7月，国际科学期刊《自然·天文》发表了一项由中国科学院大学、中国科学院国家天文台、北京大学和上海交通大学联合主导的重要研究成果。研究团队基于国家重大科技基础设施郭守敬望远镜（LAMOST），以及欧空局的Gaia卫星数据，首创了“时光动画”（motion picture）新方法，利用不同年龄的造父变星样本直接测量出银盘翘曲的进动方向和速率。基于此，研究团队揭示出当前银河系的暗物质晕形状为接近球形的扁椭球。
LAMOST：中国天文学的突破性设施
大天区面积多目标光纤光谱天文望远镜（LAMOST），被冠名为郭守敬望远镜，是中国首个天文重大科技基础设施。这台望远镜由中国科学院国家天文台负责运行和管理，位于国家天文台兴隆观测基地，于2011年正式投入观测运行。
LAMOST的设计理念源自20世纪90年代王绶琯院士和苏定强院士等提出的创新构想。这台望远镜采用了世界上独一无二的主动式反射施密特光学系统，其施密特改正镜（副镜）兼跟踪反射镜能够连续改变镜面的形状，形成连续变化的反射式施密特系统，这一功能由主动光学技术实时控制，解决了以往巡天望远镜“大口径”与“大视场”不可兼得的问题。
LAMOST由三个核心部件组成：主动非球面施密特改正镜（Ma）、球面主镜（Mb）以及两者之间的焦面系统。施密特改正镜Ma和球面主镜Mb分别由24块对角径1.1米的可变形的六角形平面子镜和37块对角径1.1米的不可变形的六角形球面子镜拼接而成。LAMOST的有效口径在3.6米至4.9米之间变化，视场（FOV）达5°，一次观测可以覆盖天空中约20平方度的天区面积。其焦面配有4000根光纤和光纤定位单元，光纤末端连接到16台光谱仪，最多可以同时记录4000个天体的光谱，遥遥领先于当时国际上其他同类望远镜。
揭秘银河系的新发现
银盘翘曲的“时光动画”
在近邻宇宙中，大多数的盘状星系其实都不是一个完美的圆盘，而是在外区表现出像薯片一样的弯曲状态，天文学家称之为翘曲（warp）。银河系作为一个典型的盘状星系，也不例外地表现出翘曲特征。通常认为，翘曲的起源是外盘物质的旋转平面偏离了包裹它的暗物质晕的对称平面。这样一个倾斜的转动银盘就像一个旋转的陀螺，必然会受到暗物质晕施加的引力矩产生进动。
这项研究利用Gaia发现的2600颗年轻经典造父变星作为银河系翘曲的示踪天体，并结合LAMOST数据精确测量了这2600颗经典造父变星的距离和年龄，首创了“时光动画”方法，精确描绘了距今2.5亿年间不同年龄切片的银盘三维结构。通过动画“放映”方式，该研究清晰地揭示了银盘翘曲的演化过程，发现翘曲沿着逆太阳旋转方向以2 km/s/kpc（即每百万年0.12度）的速率进动。进一步的精细测量显示，随着造父变星样本离银心距离的增加，翘曲的进动速率逐渐减小。无论翘曲如何起源，其进动速率和方向都由银河系内盘与暗物质晕共同决定。在扣除银河系内盘的贡献后，研究团队发现，当前包裹翘曲的银河系暗物质晕呈现出略微偏离球形的扁椭球形状（椭球等势面长短轴之比q值在0.84到0.96之间），目前只有这一形状才能解释翘曲的剩余进动大小。该结果为研究银河系暗物质晕的演化提供了重要锚点。
类太阳恒星的锂元素之谜
在类太阳恒星中，高含量的锂元素罕见吗？类太阳恒星会产生锂元素吗？它发生在恒星演化的哪个阶段？中国科学院国家天文台研究员赵刚和博士Kumar领导的国际团队，利用我国重大科技基础设施郭守敬望远镜（LAMOST）光谱数据及国际GALAH巡天数据发现，类太阳恒星经过氦闪后普遍可以产生锂元素，该发现解开了上述谜题。7月6日，这一研究成果发表在《自然-天文》（Nature Astronomy）上。
锂元素是目前已知的在宇宙早期大爆炸中最早产生的三种元素之一（另外两种是氢和氦）。一直以来，研究人员普遍认为锂元素将会在恒星中逐渐消失。这是由于锂在恒星内部相对较低的温度下（250万度，即一百万度的几倍）参与核反应，再经过与外部大气的混合，最初的锂就会在恒星生命周期中消失。比如太阳和地球的组成元素高度相似，且被认为几乎同时形成，但太阳中的锂含量却比地球中的锂含量低了100倍。随着观测技术的进步，人们陆续发现，部分类太阳恒星（在银河系中大约占1/100）大气中的锂含量非常高，在某些情况下，甚至比理论模型预测高出10万倍。到底什么原因导致了类太阳恒星中锂含量异常升高？这个问题在过去四十年里一直困扰着研究人员。
借助GALAH、LAMOST和GAIA巡天数据，研究团队发现了类太阳恒星经过氦闪后普遍可以产生锂元素，解开了上述谜团。论文第一作者Kumar表示，研究团队系统地研究了晚期类太阳恒星中锂丰度异常升高的现象。令人惊讶的是，类太阳恒星经过氦闪后锂丰度异常升高的现象极为普遍。氦闪是类太阳恒星中的一个标志性事件，在恒星演化的晚期，其核心不断积累氦元素，并导致温度和压力持续上升。这个巨大的氦核最终被点燃，发生剧烈失控地核燃烧，就像在恒星内部引爆了一颗氦原子弹，在几分钟内释放出相当于整个银河系的能量。理论模型预测，经历此阶段的恒星锂含量应该非常低，但实际上，观测却发现这些恒星的锂含量平均高出理论预测值的200多倍，这表明类太阳恒星通过氦闪产生了新的锂元素。由于氦闪是类太阳恒星演化过程中必然会经历的过程，因此类太阳恒星经过氦闪后普遍会产生锂元素。LAMOST数据在鉴别氦闪恒星的过程中发挥了重要作用。
此外，该研究还提出了一个新的标准来鉴别被称为富锂巨星的天体，照此标准，人们在过去40年间所发现的富锂巨星可能只是宇宙中的冰山一角。
推动天文学发展的利器
LAMOST作为研究重大天体物理问题的大口径光谱巡天设备，其背后离不开大量关键技术的创新，这包括大口径拼接镜面技术、改正镜兼跟踪反射镜技术、分小区并行可控的大规模光纤定位技术、海量数据处理技术等。其中这两块大口径拼接镜面创新地采用了组合薄镜面主动光学和拼接镜面主动光学技术，可以在观测过程中主动实时调节镜面的形状和位置，保证光学系统的高精度和高稳定性，获得任何常规光学系统不可能实现的性能。分小区并行可控的大规模光纤定位技术则是一种我国原创的国际领先的技术，它可以同时精确定位4000个观测目标，极大地提高了观测效率。将如此多高难度技术问题逐一攻克，并保持独立自主，其难度在国际上都是极其罕见的。在天文实测两大门类——“精测”和“普测”中，LAMOST通过一系列自主技术创新，在“普测”领域站在了国际前列。LAMOST开创了大规模光谱巡天之路，目前国内外数十台望远镜借鉴大规模光谱巡天思想，已经或计划开展巡天工作。LAMOST的成功研制攻克了机械制造、精密控制、自动化跟踪以及大规模数据分析等方面的一系列关键技术难题，这些技术成果不仅应用于天文学研究，也辐射到了多个交叉学科和技术产业，极大地推动了中国光学天文研究的整体实力和发展水平。为中国建造更大口径天文光学红外望远镜打下坚实的技术基础、积累了宝贵的技术力量、人才队伍和运行管理经验。
未来展望
LAMOST的巡天观测目标和观测策略由科学委员会讨论制定，该委员会由来自中国光学天文各领域的专家组成，以确保LAMOST巡天涵盖尽可能多的感兴趣的科学。LAMOST于2011年开始巡天观测，其中2011~2012年为测试观测，2012年后，每5年进行一期巡天，至今已经完成了Ⅰ和Ⅱ两期巡天，2023年9月起开始Ⅲ期巡天。在图3中，我们展示了LAMOST巡天覆盖的所有天区，由于LAMOST建设于北半球，因此仅能覆盖北半球的天空。LAMOSTⅠ、Ⅱ期巡天的参数对比如表1。LAMOSTⅡ期分辨率的提高能够从更多的细节上反映天体的物理性质，特别是对于其元素丰度、径向速度、恒星活动性等方面。此外，中分辨率的加入还使得Ⅱ期巡天能够测量一部分物理性质随时间有显著变化的天体。LAMOST的Ⅰ期和Ⅱ期巡天的主要策略是尽可能全面地覆盖可观测天空，而Ⅲ期巡天则主要是时域巡天和高价值目标巡天。在Ⅲ期巡天中，时域巡天覆盖了中低两种色散模式，且观测所覆盖的时间间隔灵活性更高，间隔更均匀，为双星演化、系外行星、致密天体、恒星活动等研究提供了空前规模的光谱数据。
由于一次性能够观测多达4000个天体，LAMOST凭借独一无二的光谱获取效率成为了迄今为止发布光谱数量最多的望远镜。2015年，LAMOST所