銀河系下的郭守敬望遠(yuǎn)鏡。 

銀盤面積增大示意圖。國(guó)家天文臺(tái)供圖

8月7日，中國(guó)科學(xué)院國(guó)家天文臺(tái)宣布，由其管理和運(yùn)行的國(guó)家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施郭守敬望遠(yuǎn)鏡(LAMOST)已圓滿完成一期光譜巡天觀測(cè)。一期巡天共發(fā)布光譜901萬(wàn)，其中高質(zhì)量光譜(信噪比大于10)777萬(wàn)，確定534萬(wàn)組恒星光譜參數(shù)。

LAMOST發(fā)布的光譜數(shù)是世界上其他巡天項(xiàng)目發(fā)布光譜數(shù)總和的1.8倍。該數(shù)據(jù)集(DR5)已于2017年12月31日對(duì)國(guó)內(nèi)天文學(xué)家和國(guó)際合作者發(fā)布。此外，一期巡天以來(lái)，利用LAMOST數(shù)據(jù)共發(fā)表SCI論文345篇，被引用3000余次。

銀河系的疆界被大大拓展，半徑可能達(dá)到約10萬(wàn)光年

過(guò)去的幾十年，天文學(xué)家普遍認(rèn)為銀河系的半徑約為5萬(wàn)光年。它的中心附近存在一個(gè)棒狀結(jié)構(gòu)，外面呈現(xiàn)盤狀結(jié)構(gòu)(銀盤)、四周被較稀疏的恒星包裹(銀暈)，太陽(yáng)距離銀河系中心約為2.5萬(wàn)光年。

此前，人們還認(rèn)為銀盤在距離銀河系中心約5萬(wàn)光年處有一個(gè)清晰的邊界，在這個(gè)邊界處銀盤恒星的數(shù)目驟然下降，如同銀盤在此處被切割掉。但是近年來(lái)，一些觀測(cè)在這個(gè)邊界之外陸續(xù)發(fā)現(xiàn)一些屬于銀盤的年輕恒星，這似乎暗示銀盤的邊界應(yīng)該更大。然而，要證實(shí)這點(diǎn)還需要對(duì)更多、更遠(yuǎn)的恒星進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。

2017年底，國(guó)家天文臺(tái)科研人員利用LAMOST數(shù)據(jù)，通過(guò)應(yīng)用復(fù)雜統(tǒng)計(jì)手段精確清點(diǎn)了銀河系外圍恒星的數(shù)目，并成功繪制出銀盤外圍的空間結(jié)構(gòu)剖面圖。

國(guó)家天文臺(tái)研究員劉超說(shuō)：“我們從圖中可以看出，銀盤的恒星數(shù)目雖然在隨著銀盤半徑減少，但并沒(méi)有在5萬(wàn)光年處停下來(lái)，而是一直延伸到距離中心6.2萬(wàn)光年處。這比教科書上一直以來(lái)引用的半徑大了約1/4。”

2018年，由西班牙加納利天體物理研究所科研人員和中國(guó)國(guó)家天文臺(tái)科研人員組成的國(guó)際研究團(tuán)隊(duì)又進(jìn)一步利用LAMOST數(shù)據(jù)和其他相關(guān)數(shù)據(jù)獲取的海量恒星光譜，再次改寫了銀盤尺寸，發(fā)現(xiàn)包含銀河系中大多數(shù)恒星的盤狀結(jié)構(gòu)可能比天文學(xué)家之前認(rèn)為的大很多，半徑可能達(dá)到約10萬(wàn)光年，銀河系的疆界再次被大大拓展。

劉超說(shuō)：“這項(xiàng)研究提供了有關(guān)銀盤恒星構(gòu)成的新認(rèn)識(shí)，以及銀河系尺寸更為精確的數(shù)據(jù)測(cè)量。銀河系尺寸的不斷改寫將促使天文學(xué)家重新審視星系形成及宇宙演化的一般規(guī)律。”

此外，科研人員根據(jù)LAMOST數(shù)據(jù)重新精確計(jì)算，改寫銀河系暈的結(jié)構(gòu)特征，確立為內(nèi)扁外圓的新結(jié)構(gòu)。劉超說(shuō)：“這一清晰的證據(jù)推翻了前人關(guān)于恒星暈是一個(gè)軸比不變的扁球體的猜測(cè)，有助于人類重新理解銀河系恒星暈的形成歷史和演化。”

首次測(cè)量了近700顆系外行星的軌道偏心率和傾角，太陽(yáng)系在宇宙中并不是個(gè)特例

此次巡天中，科研人員利用LAMOST首次測(cè)量了近700顆系外行星的軌道偏心率和傾角，發(fā)現(xiàn)約八成的行星軌道都如同太陽(yáng)系的近圓形軌道。

國(guó)家天文臺(tái)研究員趙剛說(shuō)：“這表明，太陽(yáng)系在宇宙中并不是一個(gè)特例而是具有一定代表性的。在某種程度上增強(qiáng)了我們?nèi)祟悓ふ伊硪粋€(gè)地球和地外生命的信心。”

類星體是銀河系外發(fā)光巨大的遙遠(yuǎn)天體，它的能源來(lái)自于其中心超大質(zhì)量黑洞吸積周圍物質(zhì)釋放的巨大引力能，是研究遙遠(yuǎn)宇宙的重要探針。

“此次在LAMOST光譜中已發(fā)現(xiàn)了1.2萬(wàn)余顆類星體，它們的平均紅移為1.5，最高紅移為5。”國(guó)家天文臺(tái)研究員趙永恒說(shuō)，“此外，根據(jù)這些數(shù)據(jù)還估算出了其中心黑洞質(zhì)量。這些類星體的發(fā)現(xiàn)將對(duì)大樣本類星體的統(tǒng)計(jì)研究提供重要幫助。”

近鄰主星系樣本是21世紀(jì)開(kāi)始的大規(guī)模星系光譜巡天中的經(jīng)典之作。但由于光纖碰撞效應(yīng)，該樣本在小尺度上具有較高的不完備性。LAMOST巡天中將這些遺漏的星系作為補(bǔ)充星系樣本進(jìn)行觀測(cè)。

趙永恒說(shuō)：“由于巡天范圍廣，在一期巡天中獲得了近萬(wàn)個(gè)補(bǔ)充星系的光譜測(cè)量，新增證認(rèn)了近萬(wàn)個(gè)密近星系對(duì)。這些密近星系對(duì)對(duì)研究星系的并合過(guò)程具有重要的科學(xué)價(jià)值。”

科研人員利用LAMOST數(shù)據(jù)還發(fā)現(xiàn)了一類新的太陽(yáng)系外行星族群——熱海星，它們與熱木星有幾個(gè)相同的標(biāo)志特征，為揭開(kāi)熱木星和其它短周期行星起源提供了關(guān)鍵的線索和嶄新的研究方向。

暗物質(zhì)占星系總質(zhì)量的90%以上，但大多數(shù)分布很彌散，在太陽(yáng)所在位置處暗物質(zhì)所占比例非常低。這就給人類直接探測(cè)暗物質(zhì)帶來(lái)了巨大困難。

趙永恒說(shuō)：“我們利用LAMOST數(shù)據(jù)對(duì)太陽(yáng)附近的暗物質(zhì)密度進(jìn)行了重新估算，這對(duì)尋找暗物質(zhì)粒子、理解暗物質(zhì)在銀河系中分布具有重要意義。”

此外，利用LAMOST數(shù)據(jù)，科研人員還精確估算了上百萬(wàn)顆恒星的年齡，使具有精確年齡的恒星樣本增加了1000倍，為銀河系演化研究提供了基礎(chǔ)數(shù)據(jù);同時(shí)，測(cè)量近6000顆類太陽(yáng)恒星的磁活動(dòng)指數(shù)，發(fā)現(xiàn)太陽(yáng)具有與超級(jí)耀斑恒星相當(dāng)?shù)拇呕顒?dòng)水平，證實(shí)太陽(yáng)有爆發(fā)超級(jí)耀斑的可能。

發(fā)現(xiàn)一顆鋰元素含量約為同類天體3000倍的恒星，將國(guó)際上鋰含量觀測(cè)極限提高一倍

年老的貧金屬星就像宇宙“化石”一樣記錄了宇宙化學(xué)演化的最初歷史，對(duì)它們的分析，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)第一代恒星和早期宇宙本質(zhì)的“恒星考古”。

趙剛說(shuō)：“我們此次在LAMOST光譜中已發(fā)現(xiàn)了萬(wàn)余顆金屬含量低于太陽(yáng)百分之一乃至萬(wàn)分之一的貧金屬星，構(gòu)建了目前世界上最大的、適合現(xiàn)有大望遠(yuǎn)鏡跟蹤觀測(cè)的宇宙化石樣本。”

同時(shí)，科研人員還發(fā)現(xiàn)了一批極其稀有的、鋰元素豐度超過(guò)正常值上百倍的小質(zhì)量貧金屬星。其中，有一顆星的鋰元素含量約是同類天體的3000倍，這是目前人類已知鋰元素豐度最高的恒星。這一重大發(fā)現(xiàn)已于北京時(shí)間8月7日凌晨在線發(fā)表在國(guó)際科學(xué)期刊《自然·天文》上。

鋰元素是連接宇宙大爆炸、星際物質(zhì)和恒星的關(guān)鍵元素，一直以來(lái)它在宇宙和恒星中的演化都是天文領(lǐng)域的重要研究對(duì)象，然而當(dāng)代天文學(xué)對(duì)鋰元素的理解還有很大的局限。富含鋰元素的巨星十分稀有，但在揭示鋰元素起源和演化上卻具有重要意義。遺憾的是，過(guò)去30余年天文學(xué)家只發(fā)現(xiàn)了極少量的此類天體。

“這顆新發(fā)現(xiàn)的富鋰恒星在銀河系中心附近的蛇夫座方向，位于銀河系盤面以北，距離地球約4500光年。經(jīng)過(guò)進(jìn)一步研究我們發(fā)現(xiàn)這顆恒星的鋰元素很可能來(lái)自恒星內(nèi)部的一種特殊的物質(zhì)交換過(guò)程。”國(guó)家天文臺(tái)閆宏亮博士說(shuō)，“這一發(fā)現(xiàn)改變了人類對(duì)天體中鋰元素的認(rèn)知，將國(guó)際上鋰含量觀測(cè)極限提高一倍。”

此外，在LAMOST近千萬(wàn)光譜中，科研人員大海撈針般地發(fā)現(xiàn)了5顆超高速星，目前世界上已證認(rèn)的超高速星僅有20余顆。

趙剛說(shuō)：“它們?yōu)樯钊胙芯窟@類速度很高，最終能夠脫離銀河系引力束縛，‘逃離’銀河系的恒星的形成機(jī)制提供了重要的樣本。”