4月以來，郭守敬望遠(yuǎn)鏡（大天區(qū)面積多目標(biāo)光纖光譜天文望遠(yuǎn)鏡，英文縮寫LAMOST）捷報(bào)頻傳：中國LAMOST發(fā)現(xiàn)目前銀河系中自轉(zhuǎn)最快恒星，LAMOST巡天光譜總數(shù)達(dá)1448萬條成為光譜之王，LAMOST去年收獲“發(fā)現(xiàn)恒星級黑洞”等11項(xiàng)代表成果……

    累累碩果背后，“LAMOST的核心創(chuàng)新和關(guān)鍵技術(shù)”正是來自中國科學(xué)院南京天文光學(xué)技術(shù)研究所。近期，該項(xiàng)目獲得江蘇省科學(xué)技術(shù)一等獎。新華日報(bào)《科技周刊》記者獨(dú)家采訪了項(xiàng)目負(fù)責(zé)人之一崔向群院士，聽她講述國家重大科學(xué)工程LAMOST的科技創(chuàng)新故事。

    開辟一塊屬于我們的“首獵”區(qū)

    在河北燕山山脈深處，坐落著東亞大陸規(guī)模最大的光學(xué)天文觀測基地——中國科學(xué)院國家天文臺興隆觀測站。每個(gè)晴朗的夜晚，觀測站內(nèi)的LAMOST都會打開穹頂，默默守望星空。而在觀測站另一側(cè)，我國自主研制的第一臺兩米級光學(xué)望遠(yuǎn)鏡——2.16米望遠(yuǎn)鏡與LAMOST遙遙相對。故事就要從這座2.16米望遠(yuǎn)鏡說起。

“30多年前，國內(nèi)2.16米望遠(yuǎn)鏡即將竣工，我國天文設(shè)備正面臨一個(gè)極其困難又非常關(guān)鍵的時(shí)刻?！贝尴蛉夯貞洠?dāng)時(shí)國際上都已經(jīng)在研制8—10米的望遠(yuǎn)鏡了，“我們難以跟外國拼經(jīng)費(fèi)投入，但又不愿意也不能跟在別人后面?！?/span>

    面對經(jīng)費(fèi)與技術(shù)上的雙重挑戰(zhàn)，時(shí)任中國科學(xué)院北京天文臺研究員、名譽(yù)臺長王綬琯院士提出，如果能找到一個(gè)突破點(diǎn)，把有限的力量集中起來，也有可能開辟一塊屬于我們的“首獵”區(qū)。幾經(jīng)討論，多年來天文學(xué)研究中經(jīng)過諸多嘗試仍未能解決的難題——建造一種大視場兼?zhèn)浯罂趶降哪軌蜷_展一次觀測數(shù)千天體光譜的大規(guī)模光譜巡天天文望遠(yuǎn)鏡被迅速聚焦。

    望遠(yuǎn)鏡之所以越做越大，是因?yàn)樘煳膶W(xué)家在追求它的大視場和大口徑?！按笠晥鍪侵竿h(yuǎn)鏡可觀測到的星空的面積足夠大，這樣就可以同時(shí)觀測更多星星。大口徑是指鏡面直徑大。”崔向群院士向記者打了個(gè)比方，這就如同當(dāng)光線暗時(shí)眼睛瞳孔會放大，增加接收光的面積，就可以看清周圍物體?！巴h(yuǎn)鏡的大口徑是為了增加接收星光的面積，這樣就可以觀測到足夠暗的星體。”由于技術(shù)瓶頸難以突破，大視場兼大口徑，似乎是個(gè)魚和熊掌不能兼得的難題。

    彼時(shí)，南京天文光學(xué)技術(shù)研究所研究員蘇定強(qiáng)院士創(chuàng)造性地提出采用主動光學(xué)實(shí)現(xiàn)鏡面曲面形狀的實(shí)時(shí)變化，從而獲得大視場兼?zhèn)浯罂趶降墓鈱W(xué)系統(tǒng)。三易藍(lán)圖后，LAMOST大視場兼?zhèn)浯罂趶降闹鲃臃瓷涫┟芴赝h(yuǎn)鏡方案，在充分調(diào)動我國天文界力量和智慧的基礎(chǔ)上橫空出世，而我國以王綬琯和蘇定強(qiáng)為首的天文學(xué)家們開始了披荊斬棘、大刀闊斧的創(chuàng)新之路。

    方案已經(jīng)敲定，如何付諸實(shí)踐并邁出下一步成了迫切問題。這一希望被寄托在崔向群身上。1993年，遠(yuǎn)在德國的崔向群收到導(dǎo)師蘇定強(qiáng)來信，希望她回國參加LAMOST的研制。崔向群謝絕了國外所有挽留，1994年初回國。

    “觀天巨眼”將我國多項(xiàng)技術(shù)推至國際前沿

    崔向群介紹，當(dāng)時(shí)國際上最大口徑的大視場望遠(yuǎn)鏡是澳洲的3.9米口徑2度視場望遠(yuǎn)鏡，配有400根光纖；配備光纖數(shù)最多的是美國的2.5米口徑3度視場斯隆巡天望遠(yuǎn)鏡，配有640根光纖；而LAMOST的目標(biāo)是：最大光學(xué)鏡面6米多，視場5度，并配備4000根光纖的望遠(yuǎn)鏡。

    為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，根據(jù)方案，LAMOST光學(xué)系統(tǒng)是由主動光學(xué)控制的非球面的反射施密特改正鏡、球面主鏡和焦面組成的反射施密特系統(tǒng)，球面主鏡及焦面固定在地基上，反射施密特改正鏡作為定天鏡跟蹤天體的運(yùn)動。其中，5.74米×4.4米的主動反射施密特改正鏡由24塊1.1米的六角形主動變形子鏡拼接而成，6.67米×6.05米的球面主鏡則是由37塊1.1米六角形子鏡拼接而成的。做成這兩塊大鏡面，技術(shù)難度堪比登天，因?yàn)檫@需要實(shí)現(xiàn)在一塊大鏡面上既變形又拼接的主動光學(xué)技術(shù)，以及實(shí)現(xiàn)在一個(gè)光學(xué)系統(tǒng)中同時(shí)用兩塊大拼接鏡面。

    LAMOST的前瞻性科學(xué)思想和創(chuàng)新性科學(xué)方案得到了國際天文學(xué)界的贊許，但是，不少國內(nèi)外同行又覺得難度太大，做不出來。這讓建設(shè)者們認(rèn)識到了LAMOST的科學(xué)價(jià)值，也讓他們有了必須研制成功的決心。

    蘇定強(qiáng)院士說：“搞LAMOST需要敢死隊(duì)。”崔向群硬是接下了“敢死隊(duì)長”的任務(wù)，成為項(xiàng)目總工程師，負(fù)責(zé)項(xiàng)目的立項(xiàng)和預(yù)研中的技術(shù)工作。崔向群的堅(jiān)持有了回報(bào)，團(tuán)隊(duì)經(jīng)過十多年分秒必爭、艱苦卓絕的努力，突破了天文望遠(yuǎn)鏡大視場與大口徑難以兼得的世界性技術(shù)難題。燕山深處，“觀天巨眼”拔地而起，潔白壯觀的建筑在蒼翠的山脈間格外耀眼。

    LAMOST于2008年落成，2009年6月正式通過國家驗(yàn)收。它是我國自主創(chuàng)新的新型大視場兼大口徑望遠(yuǎn)鏡，也是世界上目前口徑最大的大視場望遠(yuǎn)鏡和光譜獲取率最高的巡天望遠(yuǎn)鏡。

    2013年9月，LAMOST正式巡天一年加上先導(dǎo)巡天觀測共發(fā)200多萬條恒星光譜，超過有史以來全世界觀測到的恒星光譜數(shù)量總和，給天文界帶來“超強(qiáng)地震”。

LAMOST的研制成功，將我國主動光學(xué)技術(shù)、光纖定位技術(shù)和望遠(yuǎn)鏡研制技術(shù)推進(jìn)到國際前沿。如今，LAMOST實(shí)現(xiàn)了天區(qū)覆蓋、巡天體積、采樣密度及統(tǒng)計(jì)完備性等方面的重大突破，填補(bǔ)了我國大型天文基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的空白，為國際天文學(xué)開展銀河系研究提供了極好的、具有傳承價(jià)值的樣本。其高質(zhì)量、大樣本光譜數(shù)據(jù)的產(chǎn)出和科研成果引起國際天文界的廣泛關(guān)注與合作興趣，也大大促進(jìn)了我國天文學(xué)的國際交流與合作。

    “光譜之王”科研成績單碩果累累

    LAMOST建成以來，天文學(xué)家利用LAMOST光譜數(shù)據(jù)的大樣本優(yōu)勢，給銀河系“重新畫像”，成果層出不窮，不斷刷新著人們對銀河系的認(rèn)知。

    “天體的光譜就像識別天體身份的基因，包含著極其豐富的物理信息。這些光譜信息極有可能成為解開神秘銀河系乃至整個(gè)宇宙形成和演化規(guī)律的‘密鑰’。”崔向群告訴記者，在LAMOST建成之前，人類觀測到的天體數(shù)目雖然已達(dá)到了上百億，但進(jìn)行過光譜觀測的天體僅占總數(shù)的萬分之一。

    2011年，LAMOST啟動先導(dǎo)巡天。2012年，LAMOST進(jìn)入科學(xué)巡天階段。2018年6月，LAMOST巡天獲取光譜數(shù)首次超千萬量級，成為世界上第一個(gè)獲取光譜數(shù)超千萬的光譜巡天項(xiàng)目。目前，LAMOST包含先導(dǎo)巡天及正式巡天前7年的光譜總數(shù)已經(jīng)達(dá)到近1500萬條，被譽(yù)為“光譜之王”。

    不僅如此，LAMOST的2019年度科研“成績單”也可謂碩果累累：首次發(fā)現(xiàn)70倍太陽質(zhì)量的恒星級黑洞，超過理論預(yù)言的恒星級黑洞的質(zhì)量上限；開創(chuàng)用化學(xué)DNA識別銀河系中“星系際移民”的新方法；首次精確描繪銀河系外暈中人馬座星流的三位空間軌道分布……中國科學(xué)院國家天文臺近日還發(fā)布消息稱，LAMOST最新發(fā)現(xiàn)一顆目前銀河系自轉(zhuǎn)速度最快的恒星，這顆恒星位于銀河系的外旋臂上，距太陽大約3萬光年。

    “項(xiàng)目在世界上首先開拓了同時(shí)觀測幾千個(gè)天體光譜的大規(guī)模光譜巡天的新思路，以新穎的構(gòu)思、巧妙的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了光學(xué)望遠(yuǎn)鏡大口徑兼?zhèn)浯笠晥龅耐黄?，開創(chuàng)了我國高水平大型天文光學(xué)精密裝置研制的先河。”中國科學(xué)院國家天文臺研究員、LAMOST運(yùn)行與發(fā)展中心常務(wù)副主任趙永恒說。

    今年初，南京天文光學(xué)技術(shù)研究所推薦的LAMOST工程研究集體，榮獲2019年度中國科學(xué)院杰出科技成就獎。不久前，其推薦的“LAMOST的核心創(chuàng)新和關(guān)鍵技術(shù)”又獲得江蘇省科學(xué)技術(shù)一等獎?！肮庾V之王”實(shí)至名歸。

原文鏈接：《“郭守敬”讓銀河系有了新“畫像”》

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