郭守敬巡天望远镜构建世界最大恒星光谱库

　　１２７９年，元世祖忽必烈为制订新历法，令天文学家郭守敬开展“四海测验”，在全国范围组织大规模天文测量。

　　７００多年后，以郭守敬命名的光谱巡天望远镜（全称：大天区面积多目标光纤光谱望远镜）探寻宇宙又获得重要进展。郭守敬望远镜巡天４年来，已捕获７００余万条高质量恒星光谱，超过此前全球所有已知光谱巡天项目获得数据的总和。

　　什么是光谱？天文学家说，光谱包含着关于恒星各种特性的信息，能够揭示星星们的运动状态、温度、质量和化学成分，类似籍贯、住址、年龄、性别、职业等每家每户的户籍信息……因此，巡天望远镜堪称宇宙“户籍警”。

　　新华社记者近日走近位于中国科学院国家天文台兴隆观测基地，全方位揭秘这位宇宙“户籍警”。

　　“茄子——”４０００颗星星“出镜”！

　　拍摄大户人家的“全家福”照片，离不开广角镜头。想象一下，如果一次要给４０００颗恒星拍摄“全家福”，这个广角镜头究竟得有多大？

　　答案是６．５米。

　　在河北省兴隆县境内燕山主峰，一座巨大的白色建筑斜架在南麓山顶，指向天空，这就是我国自主创新研制的天文大科学装置——郭守敬望远镜。郭守敬望远镜主镜由３７块边长１．１米的六角形镜子拼接而成，相当于直径６．５米的圆镜，等效通光口径最大４．９米，视场（视野）直径最大５度，焦面上容纳了４０００根光纤，每次观测可获得多达４０００个天体的光谱。

　　什么是巡天望远镜？为什么要一次性观测４０００颗星？

　　这得从中国两位“急性子”天文学家——王绶琯院士和苏定强院士说起。

　　上世纪８０年代，王绶琯和苏定强提出一个畅想：“如果仅靠现有的望远镜巡查天体的光谱，星空浩瀚，天文学家穷尽一生也无法观测完成，我们必须看得既远又快。”

　　“我们需要一台大视场兼大口径光学天文望远镜，视场要非常大，否则无法让足够多的星星出镜；同时又要看得非常远，否则不可能观测到银河系甚至河外星系。通俗点说，就是一台同时大广角加深焦距的超级照相机。”郭守敬望远镜项目总工程师、中国科学院院士崔向群说。

　　２０１２年，这一畅想变成现实：世界上第一台大视场兼大口径光学天文望远镜在中国科学院国家天文台兴隆观测基地建成。

　　每当夜幕降临，巨大的穹顶缓缓打开，由２４块边长１．１米的六角形镜片拼接而成的跟踪反射镜巨大镜头开始工作。每隔一段时间，镜片下的力促动装置就会调整镜片形状，对准一个新的天区。

　　类似蜂巢的大镜头拼接技术、４０００根光纤的并行可控定位技术、主动光学技术……中国天文学家的创新，可以更精确、更高效地获取天体光谱信息，被国际天文界誉为“建造地面高效率的大口径望远镜最好的方案”。它的效率是此前世界第一的美国斯隆巡天计划的５倍半。

　　“天文巡天，数据为王。郭守敬望远镜第一次让我国在银河系科学研究领域站在世界前沿，从数据产出来看，２０１２年正式巡天其水平就领先了国际１０年。”国家天文台副研究员刘超说。

　　“超级照相机”究竟拍下了什么？星星的“户口簿”究竟长啥样？

　　在郭守敬望远镜观测室，记者看到，屏幕上一排排灰白相间的条纹闪闪烁烁，不仅与想象中浩瀚的星云、斑驳的星光毫无交集，甚至与七彩的光谱也相距甚远。

　　“这些条纹不起眼，但每一条都包含着一颗恒星的身份信息。如果说漂亮的星云图是星星的剪影，光谱图就是它们的证件照、户口簿，包含了真实、‘具有法律意义’的信息。”中科院南京天文光学技术研究所研究员侯永辉指着屏幕向记者介绍，比较亮的条纹就代表这颗恒星亮度较高，通过数据处理得出的一维光谱图，就能够分析出恒星的温度、质量，甚至其所含的化学成分，例如不同的三重线代表钙或镁。

　　自２０１２年９月启动巡天以来，郭守敬望远镜共观测了近３０００个天区，获得了７００万条高质量光谱，比世界上所有已知光谱巡天项目获取的数据总数还要多，构建了迄今为止最大的恒星光谱样本库。

　　为什么要给银河系“查户口”？

　　每天傍晚，国家天文台观测运行部的天文值班员都会获得从世界各地发来的“历表”，向郭守敬望远镜申请特定坐标天区的观测。有时候，是通过给恒星排长幼次序揭示宇宙演化的规律，或是精确测定银河系中“暗物质”的总质量；有时候，是观测一个奄奄一息的“老人”——矮星，或是调查一个银河系的“逃犯”——超高速星，甚至寻找宇宙中真实的“三体星”。

　　“在星辰大海般的宇宙征程开始之前，天文学最大的难题其实是银河系。”天文值班员曹子皇说，外行认为看得越远越难，其实系内普查的难度要远高于系外观测。

　　对于郭守敬望远镜在银河系内“查户口”的意义，刘超的形容更酷炫——“星际考古”。

　　“拥有千亿级恒星系统的银河系是目前宇宙中唯一有条件对其组成恒星进行单体解析的星系。研究银河系怎么从开始的一团原始气体，演化出恒星、星系盘，乃至现在的银河系，有助于见微知著，帮助我们了解宇宙发展的一般规律。”刘超说。

　　“利用郭守敬望远镜构建的大规模恒星库，能帮助科学家按照恒星年龄排序，比对研究不同年龄段恒星的组成和运动特点。”他接着说，“比如通过推演我们知道，第一代恒星只含有氢和氦，第二代恒星多了一点点金属，铁的含量是太阳的一千万分之一……通过对恒星和星系‘考古’，揭示出宇宙演化不同阶段的特点和奥秘。”

　　除了积累恒星数据回溯星系历史，郭守敬望远镜还取得了一项重要进展：更精确地测定银河系中的“暗物质”质量。

　　长期以来，各国科学家都试图更加精确地测定银河系暗物质质量，以帮助物理学家发现暗物质粒子，进一步修正现有宇宙学理论。

　　基于目前郭守敬望远镜观测筛选出的４０００个恒星数据，我国科研人员测定，太阳附近３０００光年范围内，暗物质质量为０．０１８太阳质量／立方秒差距。研究人员介绍，随着巡天进程推进，第二次暗物质质量测量将采用２０万颗恒星数据，这一样本量的扩大，将把测量精度提升２至３倍。

　　即使是实际观测中“乱入”的不速之客——超高速星，也有助于揭示宇宙黑洞这样高大上的重磅问题。

　　２０１４年，一个由中美两国天文学家组成的研究团队利用郭守敬望远镜，发现一颗距地球４万多光年的超高速星。这颗迄今发现的距地球最近的超高速星，以每小时超过１７０万公里的速度“逃离”银河系中心，并将最终飞离银河系。

　　到底是谁“踹”了恒星一脚，让它能逃离银河系引力束缚呢？天文学家认为，超高速星可能是双星系统运行到银河系中心大质量黑洞附近被潮汐瓦解产生的。“这好比本来被一根线拴在绳子两头的小球，被黑洞‘咔嚓’一刀剪断了绳子，一端的球吸进了黑洞，另一端获得了很高的速度，快到能飞出银河系。”曹子皇说。

　　郭守敬望远镜巡天数据逐步发布后，预计还能发现几十颗各种质量的超高速星。通过它们，天文学家期待可以对银河系进行更深入的研究。

　　“我们对银河系的研究也许有朝一日会成为星际航行手册的第一章。对今天的天文学家而言，银河系的现实意义是作为一把揭开整个宇宙演化秘密的钥匙。”刘超说。

　　“大天机”与你我有何关系？

　　宇宙浩瀚，斗转星移。人类如果不仰望星空，我们不会有时间、方向和历法。从世界最大射电望远镜，到最大的大视场光学望远镜……一项项道破“天机”的大型科学装置的出现，中国科研维度也在不断拓宽。

　　什么是大科学装置？二十世纪中叶以后，科学发展一个重要特征是大科学装置的出现，通常是指需通过较多资金投入和工程建设来完成，建成后通过长期的稳定运行和持续的科学技术活动，以实现重要科学技术目标的大型设施。与一般的基本建设项目不同，大科学装置具有建设规模和耗资大，技术综合、复杂，开放性强、全球合作，产出是科学知识和技术成果而非直接经济效益等特点。

　　这些投入巨大的尖端科技装备，除了成为科幻电影中看着眼熟的地标之外，究竟和普通人的生活有什么关联？又能给现实社会带来什么益处？

　　“这些科研装置并不能立竿见影地改变你我今天的生活。”中科院紫金山天文台研究员袁强说，尖端科研所需的技术条件远高于民用需要，一旦在实验室实现突破，将大大推动民用科技发展水平。比如在尖端科研装备制造中，硅的杂质经常需要控制在万分之一以下，这一纯度远高于普通工业加工，实验室实现突破后将大大促进国家工业提纯水平。

　　随着经济发展和科研投入比例增加，中国的科研支出增长迅速。目前中国在研发上的投入占ＧＤＰ的比重已经超过２％，这一比例比欧盟高，并且有望在２０２０年前达到２．５％，超过美国。

　　“有了大科学装置的成功运行，众多科研院校和科技人员才有了高水平的技术平台。现在中国有了实力，能够发起或牵头组织大科学计划。”崔向群说。

　　国家天文台兴隆观测基地首席科学家赵永恒认为，任何有潜力、注重软实力的国家，都注重尖端科研的投入，始终站在科学研究的前沿。

　　“大科学装置本身是由多学科支撑、众多高新技术集成和国际竞争的产物；同时也是支撑多学科与交叉学科的发展、先进的大型公共技术平台。它代表了国家科学基础设施的水平和技术制造能力，只有拥有并善用这样一批‘重器’，才能奠定中国在国际大科学研究中的重要地位。”赵永恒说。