《大众科技报》2002年介绍LAMOST的文章

 

LAMOST是一个天文手段上的突破。”“实际上天文理论上非常大的突破一个世纪也就两三个,21世纪的大突破也许就在中国。LAMOST的提出者之一——年过70的王绶琯老先生抑制不助心中的兴奋。

LAMOST是我国大型光谱巡天望远镜,全称大天区面积多目标光纤光谱天文望远镜(The Large Sky Aera Multi-object Fiber Spectroscopic Telescope,简称LAMOST)。

LAMOST如图片显示,是一架横卧于南北方向的中星仪式反射施密特望远镜。其口径为4米,焦距长20米,视场5度,可同时观测4000个发光天体,在一个半小时的曝光时间内可得到暗达20.5等的天体光谱。球面主镜和光谱仪均为固定,所有镜面(包括球面立镜和非球面反射镜)均是化整为零,即多镜拼装,系统主要活动的部分为反射镜。这些设计是对大规模测量光谱的天文望远镜能力的跨越式推进。LAMOST的光谱观测能力是同类望远镜AAT、SDSS的6-10倍。结合LAMOST拟建台址的天文气候质量计算,3——5年内,它将在2万4千平方度的天区上观测到1000万数量级的天体,比SDSS提高了一个数量级。

LAMOST项目由中国科学院院士王绶琯、苏定强等人提出,1996年列为国家重大科学工程项目,1997年正式立项,2001年正式开工建设,投资2.35亿人民币,建设周期为7年。

 

一、LAMOST将减少太空黑户1000万!

有报道把LAMOST项目称为中国的哈勃工程项目常务副总经理赵永恒平静地告诉记者:LAMOST的任务就是普遍巡天,也就是对天体进行户口普查’”。目前,天文界已经掌握的天体光谱,只占已观测到天体的万分之一左右。美国SDSS的测量数量也仅在100万颗。LAMOST在北天视场内将对1000万个天体进行光谱测量,既天文学上的人口普查。提到LAMOST可以把人类对天体光谱的掌握数量提高到百分之一,赵永恒先生没有流露出丝毫的成就感。天体光谱缺失十分之一就意味着对1亿天体的一无所知,何况所谓的百分之一也是建立在已观测到天体的数量上。

能在千万级进行天体的光谱测量,在国际天文学界处于领先地位。SDSS是目前国际上观测量最大的光谱天文望远镜,但其光谱测量目标仅为LAMOST的十分之一,LAMOST将是近期光谱获取率最高的天文望远镜。多目标是LAMOST的过人之处之一。

根据赵永恒的介绍,建成后的LAMOST将在1.75米的焦面上可以放置4000根光纤。项目提出者之一的王绶琯形象地解释说,观测的时候,每根光纤就像是来自不同源头的水渠,而光谱收集系统就是水库,我们可以收集通过各个渠道引来的光谱信息。王老先生对于中国天文学界的这一工程寄予了很高的期望,他非常得意与国际上现有的多目标、多光纤望远镜如英澳400光纤的AAT、美国640光纤的SDSS相比,LAMOST的巨人地位。

这个巨人还是个灵活的巨人。这4000光纤是并行可控的。赵永恒再次搬出AAT和SDSS来作比较。如SDSS是那种要事先根据观测对象的位置在铝片上打孔,再用人工插入光纤的半自动化的望远镜。天体的位置移动后,如果要进行相应的调整,还要重新更换铝板、再次进行打孔和光纤的定位。LAMOST的4000根光纤都是由计算机控制的。做出任何调整,甚至想在观测时对个别光纤做出微调也是能够实现的。作为学者的赵永恒也为比较中的明显优势感到骄傲。

 

二、主动光学技术用于反射式施密特望远镜

LAMOST能突破AAT和SDSS的观测数量和速度的一个重要原因就是应用了主动光学。王绶琯先生对于项目另一提出者——苏定强先生的贡献津津乐道。

他介绍说,在LAMOST项目上,主动光学的应用主要在于4米口径的反射改正镜。一直面带微笑的他,用手掌和手指代表望远镜的主镜面和改正镜,现场演示了主动改正镜的工作过程。手掌因为口径大,镜臂长,不进行物理上的移动。用王老的话说,就是家教到学校教育的转变。孩子多了,老师即使能跑也不能完全照顾到,不如办个学校,让学生批一批的来受教育。说到这里,王老的手指开始进入角色。手指投射在手掌上,但是它并不是静止的。王老说,任何天体都是移动的,这时候如果望远镜不跟着进行移动,得到的就是一条线。王老的手指在掌心划出一条直线的轨迹。他看看我们继续解释说,主动改正镜能进行特定天体的跟踪,在观测过程中不断改正,获得好的星像。

主动光学技术的另一应用是为了对付大型望远镜镜片因重力、加工等因素导致的变形,改正象差。这一技术的开发成熟于上世纪七八十年代。在LAMOST之前,应用主动光学技术的望远镜都是依据导星状况来调整镜面状况,以减小或抵消因加工误差和重力等因素引起的望远镜成像问题。

LAMOST项目的提出者之一的苏定强院士是将主动光学技术用于反射式施密特望远镜的第一人。这是一个新颖的设计。王老先生这样评价它。事实上正是这种设计使得LAMOST可以做成现在这种样子。王老先生不断圈点出LAMOST的过人之处。LAMOST是一种子午装置望远镜,在被测天区通过子午线的时间里(大约为一个半小时),跟踪天体的任务也将同时由反射面来完成。这种一石二鸟的设计被称为LAMOST的点睛之笔。

 

三、寻找口径与视场做大的最佳契合点 

    大口径兼备大视场的世界之最是LAMOST的又一过人之处。

假如您是一位天文爱好者,您一定不会为四米的口径而咋舌,因为国际上有为数不少8米、10米的望远镜。你的反应并不会引起王绶琯先生的不满。因为LAMOST的长处在于口径与视场的结合——大口径兼备大视场。

 5度是大视场,相当于照相机的广角镜头,赵永恒说。他也毫不避讳的国际上已有的8米,10米的口径。他一针见血的指出,它们的视场只有十几到几十角分。1度等于60角分,1角分等于60角分。他还说,6度的视场在国际上也有,但到目前为止其口径最大也只有一米多。言谈中表现出不宜察觉的坚定。

王绶琯老先生向我们解释说,在天文望远镜的制造上追求口径就要牺牲视场,反之亦然。以一个10米的望远镜为例,它的视场大约可为4个角分,观测效果没的说,但是只能用来观察银河系的某一细节,或观察某一特定的天体。如果你想用它在整个天空扫一遍,看看不同天区的众多恒星处于演化的哪个阶段,或者看看天球上哪些地方有值得关注的奇怪天体,那么对不起了——你得一个个来,或者几个天体几个天体地进行。假设望远镜视力不加强,视限范围不扩大,按照这个速度下去,面对如此数量的天体,天文学家们也只能望兴叹。

负责数据处理系统的赵永恒指出,作为一架新型的望远镜,LAMOST的视力相当不错,与今天许多精选小样本进行光谱精测的四米级望远镜相比,它完全可以以一当十甚至还有余地。

 

四、掀起宇宙天体的盖头来

据赵永恒介绍说,LAMOST的三大核心研究课题首先是研究宇宙和星系,一个是星系红移巡天,另一是通过获取的数据进一步研究星系的物理特性。星系物理特性是目前国际天文界相当热门的话题,宇宙的诞生、星系的形成以及恒星和银河系结构等前沿问题都建立在对星系物理特性的研究基础之上。

展望LAMOST将对未来天文学研究做出的贡献,赵永恒的话逐渐多了起来。他说,研究宇宙大尺度结构依赖于星系红移巡天的工作。获取星系的光谱就能得到星系的红移,有了红移就有可以知道它的距离,有了距离就有了三维分布,这样我们就可以了解空间整个的结构。接下来我们就可以研究包括星系的形成、演化在内的宇宙大尺度结构和星系物理。这是一个环环相扣的工程,而获取天体的光谱则是基础的一环。

第二个核心课题就是研究恒星和银河系的结构特征。赵永恒缓缓地说,我们现在主要想瞄准更暗的恒星,做的更多一些,这样可以更多了解银河系更远处的恒星的分布和运动情况,搞清银河系结构。你们可以看到因为这个望远镜能够做很多星的样本,所以我们尽量选更多、更暗的星来做大范围的研究。

赵永恒以恒星为例进一步说明,天体光谱观测的重要性。现有观测结果表明,恒星是众多星系的重要组成部分,为数众多的恒星是暗的。通过一颗恒星的光谱,天文学家可以分析出其密度、温度等物理条件,可以分析出其元素构成和含量等化学组成,还可以测量出其运动速度和运行轨迹等。研究了不同种类的恒星的分布,说不定人类可以研究出银河系的结构和银河系的形成。对于LAMOST到底能在未来的天文学研究中起到的作用,赵永恒慎重选择着字眼。

LAMOST的第三个核心课题是多波段证认,从赵永恒的口气中我们听出了LAMOST的权威性。他指出天文学界的惯例是在其他波段比如红外、X射线发现的天体要拿到光谱中分析。因为光谱理论充分,经验也多,这也造就了其他手段搜集到的有关天体的资料最终还是要通过光谱来确认。

 

记者获悉与LAMOST项目同时开工的还有一个由国内知名天体物理学家组成的科学目标工作小组。赵永恒介绍说,这个工作小组是中国天文界提前为LAMOST的观测结果——天体光谱准备的研究人员。他说,国内天文学家们现在正在研究国外光谱分析学的取得的结果,希望能借助这些研究来提出我国自己的光谱研究课题。王绶琯老先生进一步说明这个工作小组的使命是开拓我国在天文界前沿问题的研究,提高我们的天文学研究地位。他说,天文学界是没有国籍的,根据国际惯例,天文学上获取的基础数据是国际共享的,只有提出更新更好的研究课题,才能占领天文研究的重要席位。

二、LAMOST的兄弟姐妹

根据国家天文台的消息,我们可以肯定在未来5年左右的时间里,LAMOST可以保持多目标光谱测量的天文仪器方面的兄长地位。光学天文学领域一向是卧虎藏龙,LAMOST还有其他一些各怀绝技的兄弟姐妹。它们是:

1、 由西班牙、法国合建的GRAN望远镜,加那利大型望远镜(Gran Telescopio Canarias)口径10.4米,装备有照相机、光谱仪,耗资7500万美元,今年底建成后将成为欧洲地区最大的望远镜。

2、 由意大利、美国合作建造的大型双筒望远镜,(Large Binocular Telescope)双筒的每个口径为8.4米,组合口径相当于23米,耗资8400万美元,预计2004年建成。

3、 南部非洲大型望远镜,(Southern African Large Telescope)主要参与者为波兰,装备有光谱仪,光孔为9.1米,造价2000万美元。它是除LAMOST之外造价最低的望远镜,竣工时间为2005年。

4、 可见光及红外巡天天文望远镜,(Visible and Infrared Survey Telescope for Astronomy)主镜为4米,视场为1.7度,耗资4000万美元左右,2004年建成。

5、 大口径综合孔径巡天望远镜。(Large-aperture Synoptic Survey Telescpe)这一望远镜的设计还在构思阶段。估计主镜为6.5米,视场1度以上,可用于观测类星体和小行星等。

国际天文界的卧虎藏龙,不断爆出新成果的哈勃,让中国的天文学家不甘寂寞。雄心勃勃的他们已经有了真正的中国哈勃计划——空间太阳望远镜SST,这将填补中国在太空观测上的空白。除此之外,中国天文学家还有一个关于最大的射电望远镜FAST的计划。如果立项成功,那么它们将和LAMOST一起推进我国在天文学界的地位。

 

三、LAMOST意味着什么?

(一)、光学天文学

自伽利略发明第一台折射望远镜以来,光学天文学一直在天文学中占据主导地位,因为宇宙中大量天体发出的电磁辐射主要在可见光波段。而迄今为止,光谱分析也是目前天文学研究中最为成熟的工具之一。谈到项目组将要处理的数据时赵永恒说它能够用于研究天体的物理条件和化学组成,包括天体的密度、温度,化学组成包括天体所含元素及其含量。然后就是天体的一些运动特性,如运动速度,对星系还可以测出红移对应的就是星系的距离。

作为光谱获取率最高的天文望远镜,LAMOST对光学天文学的意义是不言而喻的。而多波段人证本身也是LAMOST的三大课题之一,通过与其他波段巡天望远镜,如X射线和γ射线望远镜相结合,它在许多天文学前沿问题的解决上都能起到相当大的作用。

 

(二)大视场天文学

在天文学的发展历史中,资料的搜集一向占有基础性的地位。打个比方说,如果没有第谷或者其他人积累大量天文资料,今天的人也许还在对牛顿三大定律毫无知觉的情况下生活。于今天的天文学而言,眼下是一个实测并开拓力度空前的时期。我们随时可能遭遇要求分析理解的巨量信息。采访中负责数据处理的常务副总经理告诉记者数据量还是相对比较大,每天大概下来两到三个GB,大概一年一到两个TB。跟哈勃望远镜相当。在国内说这么大数据量还是头一次。关于LAMOST是否能发挥出最大的作用的问题,赵永恒的希望是科学目标和研究课题要做好……

(三)对于中国天文学

尽管天文学是一门非常国际化的科学,许多大型设备向国际同行开放。但使用这些设备要去排队,如果我有一个很好的设备,那么人才课题就都来了。王老先生说。所以在天文界占据一席之地,没有大型的、先进的观测设备是不可想象的。关于这一点,王绶琯老先生说:我说就是我们斗智斗财。哈勃望远镜花了很大一笔钱,20几亿美元。我们财力有限,就有一个事情怎么做的问题。现在我很想再探讨一下这种问题,科学史上很多重要课题并不是用大型、最先进的设备做成的。而且很多课题是由小到大做成的,先突破一点再扩大到面。对我们发展中国家尤其是这样。”“我们现在问题是我们知道的天体很多,但有光谱数据的只有万分之一,很少。沿着这条思路诞生的LAMOST将是在最近的5年中,耗资量倒数第二,而光谱获取率第一的大型天文观测设备。