测微准直望远镜

中国国家重大科学工程——大天区面积多目标光纤光谱天文望远镜(英文简称LAMOST)中新社记者 孙自法/摄 　　新华网北京6月4日电 (记者 俞铮 王爱华) 24块造价昂贵的六边形反射镜，像被“上帝之手”操控，任意变幻镜面形状 每块对角径1.1米、厚25毫米的镜面，竟也能神奇地凹凸变形。这是世界上最强大光谱巡天望远镜的核心组件，采用的是中国人开创、全球独一无二的镜面自动拼接兼具变形高难度技术。 　　总面积20平方米的巨大反射镜自动拼接、变形的目的，是为了精确指向不同高度或位置的天体，配合50米长的钢筋混凝土巨型“镜筒”以及另一端同样拼接而成的30平方米主镜，这个建在距北京城东北170公里一座山上的超级望远镜即将开始对浩瀚星空进行“户口普查”。 　　中国科学院国家天文台兴隆观测基地的“大天区面积光纤光谱天文望远镜”4日通过了国家验收。 　　耗资2.35亿元人民币、貌似导弹发射架的这座超级望远镜，最高处超过15层楼，由口径3.6米的反射施密特改正镜、口径4.9米的球面主镜和焦面组成光学系统。成像的焦面上装着4000根可自动定位的光纤，连接16台光谱仪实时记录数据。望远镜每次夜间观测1.5小时，最多可获得4000条天体光谱。 　　300多年前牛顿偶然发现太阳光被三棱镜散解成有色光，启发后人用光波谱线确定物质的化学组成。光谱也是天文学家读懂不同天体化学组成、密度、大气、磁场信息的钥匙。人类成像巡天活动记下数百亿天文目标，仅万分之一已测过光谱。绝大多数遥远天体，依然是“知其然而不知其所以然”。 　　超级望远镜项目总工程师崔向群在接受新华社记者专访时说：“未来3到5年，科学家将用它获得2.4万平方度范围内250万颗恒星、250万个星系、150万个亮红星系、100万个类星体的光谱数据。” 　　伽利略率先制成了天文望远镜，此后无数望远镜观天400年。中国的这项天文观测计划雄心勃勃，旨在深入认识暗物质、暗能量、星系形成和演化。 　　崔向群说：“在同一块大镜面上采用可变形薄镜面主动光学技术和拼接镜面主动光学技术，在一个光学系统中同时采用两块大的拼接镜面，4000根光纤高精度控制定位，都是世界首创。” 　　这些首创技术一举解决了大视场望远镜兼具大口径的世界级难题。此前中国最大的光学望远镜口径为2.16米，同样矗立在兴隆基地，也用于光谱观测。 　　国际主动光学技术权威雷威尔逊评价：“中国的新设备是主动光学技术最先进和雄心勃勃的应用。” 　　新设备已进行了4次试观测，每次得到3600条光谱。崔向群说：“试观测结果令人满意，但设备仍需调试。好比每次都能准确打到靶子，不过还没打中10环。” 　　望远镜正式运行6年后，有望获取至少1000万条天体光谱数据。所有数据，将与国际科学界共享。 　　美国著名天文学家理查德埃里斯说：“一架大口径天文望远镜是人类文明进步的最好例子，看到了这个新家伙，我们才知道中国人都做成了些什么。” 　　中国人还打算在南极架一台新的超级望远镜，那里观测范围更大、条件更好。

1992年，我国一位天文学家在《自然杂志》上发表了4篇文章探讨当时天文科学的发展，在这组文章的最后一节，他对我国天文设备建设提出了几则设想。3年后，他重读这4篇文章，在手稿中写道“……觉得好像是一个跳伞者，伞已经在空中张起，眼睛盯着目的地但却还没有落到实地。像一支音乐停在接近尾声的一个休止符上。”　　这位天文学家，就是1980年当选中国科学院学部委员（院士），历任北京天文台研究员、台长、名誉台长，为天文事业整整奋斗了70年的王绶琯，而他在手稿中提到的，使这段“停在接近尾声的一个休止符上”的音乐成为一段完整乐章的办法，则是建造大天区面积多目标光纤光谱天文望远镜——郭守敬望远镜（LAMOST）。　　作为我国自主创新的、世界上口径最大的大视场兼大口径及光谱获取率最高的望远镜，LAMOST与王绶琯的渊源要追溯到20世纪80年代。当时我国正值现代天文学的第二次重建，“五台四校一厂”的学科基地已经立稳脚跟；天文实测条件正从“基本为零”转变为“最最起码的水平”；一批中青年天文人才这时已崭露头角。王绶琯惊喜地发现，这样的人与物的基础，虽然还很薄弱，但只需进一步巩固、完善，便能发起一次“前哨战”，在天文“主战场”上，开拓前沿，取得突破。　　当时的天文学界存在一个困扰了研究者们多年的难题，即望远镜的大口径和大视场无法兼得。大视场是指望远镜可观测到的星空的面积足够大，这样就可以同时观测更多的星星。大口径是指望远镜镜面的直径大，这样就可以观测到足够暗的星体。　　在此前使用的三种常规光学望远镜中，折射望远镜具有较宽的视野，但它的镜片不能做大；反射式望远镜可以把镜片做大，获得大口径，但是它能够观测的范围比较小，无法获得大视场；折反射望远镜能够获得大视场，但由于它的折射镜片太复杂，无法做大，因此不能同时获得大口径。　　如何解决大口径与大视场“鱼与熊掌不可兼得”的问题？这一困惑摆在了国内外所有天文学家的面前。　　20世纪80年代的一个夜晚，在从宁波驶向舟山的船上，王绶琯与当时都还是青年科学家的陈建生院士和苏定强院士一道，讨论我国下一步的天文设备建设。他们想到，想要在我国天文学方面做“有米之炊”，是不是要考虑“做个什么东西”，解决这个“鱼与熊掌不可兼得”的问题。　　在这次被王绶琯称作“海舟夜话”的谈话结束后不久，他们便把目标定在配置多根光学纤维的“大天区面积大规模光谱”的开拓上。接着是LAMOST建设方案探讨，从陈建生主持的“150/220厘米中国施密特望远镜”的论证，到苏定强设计的“子午装置—焦面跟踪”的施密特型望远镜，再到最终LAMOST方案形成时苏定强“主动反射板”画龙点睛的一笔，LAMOST建设方案先后经过多次学术讨论，三易蓝图。　　1993年4月，以王绶琯、苏定强为首的研究集体提出LAMOST项目，并建议将其作为中国天文重大观测设备列入“九五”期间国家重大科学工程计划。　　1994年7月，两位青年科学家褚耀泉、崔向群在英国的一次国际会议上报告了LAMOST建设方案，引起了强烈反响。　　从诞生于海舟中的一个想法到国际会议上使同行们兴奋的方案，王绶琯参与见证了LAMOST的成长史。1995年，他在论文中回忆道，“LAMOST方案的思考和建构，反复历经十年。参加的同志前后近二十人，参加者从不同专业、不同研究领域出发，切磋琢磨、求同存异，蜿蜿蜒蜒把力气汇聚到了共同点。正因为参加者的出发点不同，就有了集思广益。而参加者从不同出发点走向目标，不同思想、不同方法在同时前进中磕弹转并，就有了各自的蜿蜒曲折。”　　1996年7月，国家科技领导小组决策启动国家重大科学工程计划，LAMOST列入首批启动项目；2001年8月，LAMOST项目批准开工建设，2008年8月全部项目建设任务完成；2008年10月16日在国家天文台兴隆观测基地举行LAMOST落成典礼，2009年6月LAMOST项目顺利通过国家验收。　　近年来，一系列天文学领域的新研究发现不断刷新着人们对于宇宙的认知：在银河系中发现一颗恒星级黑洞；为银河系重新画像，发现银河系比原来认识的增大了一倍；改写银河系晕的面貌，精确称量出银河系的“体重”；发现一颗目前人类已知锂元素丰度最高的恒星；通过监测恒星“心电图”发现绝大多数富锂巨星的“真身”是红团簇星；发现类太阳恒星经过氦闪普遍可以产生锂元素的机制；获取了大样本恒星年龄信息，揭示银河系“成长史”……在这些发现的背后，都少不了LAMOST的参与，它已经成为天文学家们亲密无间的“合作伙伴”。　　截至2022年9月，LAMOST已运行11年，共发布了约2000万条光谱数据。每天夜晚，LAMOST都在华北大地上仰望星空。而在浩瀚宇宙中，被命名为“王绶琯星”的小行星也正熠熠生辉。

红外暗云是一种超低温（绝对零度以上10-30度）、冷暗致密的星际物质聚合体，是恒星形成和星际化学演化的主要场所，包含了这些过程的最重要原初状态信息。与此相关的许多重要前沿问题一直是国际学术领域关注的热点，特别是大质量恒星形成区域的化学演化时标及其与大质量恒星形成的关系，至今依然没有结论。来自中国科学院国家天文台、上海天文台等多个单位的研究人员组成的研究团队，针对该领域的主要科学问题，使用65米天马望远镜，开展了大样本的分子谱线观测研究，扩大了红外暗云的探测样本；综合天体化学模拟和观测数据，有效确定了红外暗云的化学演化时标等信息。该样本包含了银河系内的几十个红外暗云，观测波段是天马望远镜的K波段（18-26.5 GHz），主要探测的目标谱线是三条具有很强化学表征性的分子探针——氨分子（NH3）、硫化双碳（CCS）和氰基乙炔（HC3N）。碳链分子和含氮分子可以敏感地示踪冷暗气体的化学演化时标，利用氨分子的超精细反转跃迁还能测定目标天体的气体温度[1]。CCS是用于标定极早期冷暗气体的重要化学成分，此前历史上所有观测仅在8个红外暗云中探测到了CCS。而该研究工作则一次性得到了15个新增的探测结果，使得CCS红外暗云样本从8个增加到23个，大大增强了红外暗云中碳链分子和含氮分子的统计学意义。天马望远镜可长期稳定工作，且相较于此前的观测整体上具有更高灵敏度，从而为探测结果提供了有力保障。该工作进一步通过天体化学数值模拟，并与观测数据进行比对，有效确定了红外暗云的化学演化时标。结果显示，碳链-含氮分子的丰度比值，能够很好示踪红外暗云的化学演化。特别是具有CCS探测率的暗云，它们的演化年龄仅为20万年甚至更早，相对于较为成熟的恒星形成云核，它们极为年轻。然而这些暗云团块却已经具有了较高的面密度，这说明年轻的团块中稠密气体的聚集程度已相当可观。图1：在红外暗云SDC18.787-0.286探测到的各条谱线，背景为红外波段（WISE天文卫星在3.5-22微米波长范围内的公开数据）图像, 黄色圆圈表示天马望远镜的波束[2]覆盖范围。（右）红外暗云化学模型预言的分子含量比例演化趋势（带箭头的曲线）与观测数值的比对。不同颜色曲线代表不同的环境气体密度，节点数字标记了演化年龄（年），灰色数据点为前人观测，黑色方块为本次研究工作获得CCS新探测数据的样本点。从图中可以看出，化学模型的预言与数据点符合较好，对这些暗云的演化年龄给出了明确标定。该研究工作第一作者为中科院国家天文台李菂、吴京文研究员团组的博士生谢津津。国台陈龙飞博士和任致远博士共同分析观测数据并分别提供了化学模型和氨分子温度测量模型。这项工作已经被《中国科学：物理学 力学 天文学》接收（预印本：arXiv:2103.12985）。国家天文科学数据中心为天文观测设备和研究计划提供数据与技术服务。注1：氨分子（NH3）被认为是星际介质的灵敏温度计。由国家天文台博士研究生王珅、任致远和李菂研究员开发的氨分子超精细谱线温度算法（HFGR），能够准确利用超精细结构的积分强度来计算分子云的气体旋转温度和热力学温度。与传统的利用氨分子计算气体温度的方法相比，HFGR算法只依赖于观测得到的谱线强度比，能够避免线宽和不透明度在谱线拟合时所造成的不确定性，因此对于更大范围的参数更加稳定和可靠。该算法已经发表于英国皇家天文学月报（MNRAS, 2020, 499:4432）注2：射电望远镜的波束，指望远镜主轴方向接收天空射电辐射的立体角范围，对应采集到天空图像的角分辨率。