LAMOST的科技创新

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　　LAMOST是大天区面积多目标光纤光谱天文望远镜的英文简称，后冠名为“郭守敬望远镜”。LAMOST是由中国天文学家提出天文望远镜创新方案[1]，并自主设计和研制的一架特殊的主动反射施密特望远镜。

　　20世纪90年代初，我国计划筹建一批大型科学工程项目，用以促进国家战略高技术的发展和基础科研水平的提高。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。作为中国天文界的第一个国家重大科学工程项目，LAMOST于1997年4月由国家批准项目立项，2001年8月批准项目开工建设，2008年8月完成全部项目建设任务，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。

　　LAMOST是中国天文学家瞄准国际天文学前沿，创新性地提出世界上独一无二的、口径最大的大视场望远镜，提出开展一次同时观测数千个天体的多目标光纤光谱观测，开拓了国际天文领域大规模光谱巡天的先河。

　　LAMOST由非球面主动反射施密特改正镜Ma、球面反射主镜Mb和焦面仪器等组成，整个系统分为光学、主动光学和镜面支撑、机架和跟踪装置、望远镜控制、焦面仪器、圆顶结构、观测控制和数据处理、输入星表和巡天战略等8个子系统。

　　LAMOST的主要技术创新包括：(1)在世界上首创镜面形状实时连续变化的光学系统，突破国际天文界长期以来大视场望远镜不能兼备大口径的瓶颈;(2)在世界上首创在一块镜面上同时应用薄变形镜面和拼接镜面主动光学的技术，并开创性地在一个光学系统中同时应用两块大拼接镜面，将主动光学技术推进到新的前沿;(3)在世界上首创分区并行可控的光纤定位技术，使4000根光纤能快速高精度地对准天体;(4)建成世界上最大的多目标光纤光谱仪集群，发展了海量天文光谱数据处理方法。LAMOST将多目标光纤光谱观测能力从每次几百个天体提升到几千个甚至数万个天体。

　　LAMOST的成功建设和运行是我国天文望远镜研制的里程碑，不仅将我国望远镜研制技术发展到国际水平，为研制更大的地面与空间光学望远镜创造了条件，还大大推动了我国在光学仪器、精密机械、电子技术和自动控制等技术科学领域的发展，显著提升了我国自主创新能力，积累了宝贵的技术力量、人才队伍和运行管理经验。

　　在通过国家验收之后，经过两年紧张有序的精密调试和科学试观测，启动了LAMOST先导巡天。先导巡天自2011年10月24日开始，到2012年6月24日结束，共观测401个天区，获得54万条信噪比大于10的恒星光谱和37万颗恒星参数星表。从2012年9月起，为期五年的LAMOST一期正式巡天启动，到2017年6月一期巡天结束。

　　2017年9月，开展LAMOST中分辨率光谱巡天测试观测，到2018年6月结束。经过一年测试观测，LAMOST中分辨率巡天策略、观测目标及数据处理能力均已达到巡天要求。2018年9月，LAMOST开启二期光谱巡天，巡天模式与一期有所不同，即在亮月夜进行中分辨率光谱巡天，在暗夜继续开展低分辨率光谱巡天，计划于2023年6月完成二期光谱巡天工作结束。

　　2019年6月，LAMOST二期光谱巡天的第一年观测工作结束。经过9个月的数据处理及质量分析，2020年3月31日，包含先导巡天及正式巡天前7年的LAMOST DR7数据集正式对国内天文学家和国际合作者发布，科学用户可登录网站进行数据查询和下载。此次发布的DR7数据集中包括低分辨率光谱数据和中分辨率光谱数据两部分，其中低分辨率观测天区4926个，中分辨率观测天区680个(图2)。发布光谱总数达到1448万条，其中低分辨率光谱1060万条，中分辨率非时域光谱101万条，中分辨率时域光谱287万条。此外，DR7发布数据中还包括一个约700万组的恒星光谱参数星表，其中部分恒星首次增加了碳、镁、钙等12种化学元素的金属丰度参数，这是目前全世界最大的恒星参数星表。

　　图2 LAMOST天体光谱巡天的天区覆盖图(2011年10月~2019年6月)。(a) 低分辨率光谱巡天的天区覆盖;(b) 中分辨率光谱巡天的天区覆盖

　　LAMOST成为世界上第一个获取天体光谱数突破千万量级的光谱巡天项目，这对天文学而言是具有划时代意义的里程碑事件。LAMOST率先使人类对天体有缝光谱观测数提高到了千万量级，约是目前国际上其他巡天项目光谱观测数总和的2倍。发布的数据已经被国内外天文学家广泛用于科学研究，产生了一批高显示度的亮点科学成果，为中国在大样本天文学特别是银河系结构和演化、恒星物理等诸多研究领域走到国际前沿创建了平台。

　　自开展巡天以来，截止到2020年9月，天文学家利用LAMOST数据已发表科研成果550余篇，引用5000余次。2017~2019年，在全球10个口径6 m以上的中大型地面光学望远镜中，LAMOST的科学产出排名第五;在全球25个主要地面光学望远镜中，LAMOST的科学产出排名第六;国外天文学家利用LAMOST公开数据发表成果占1/3，充分体现了LAMOST数据的国际影响力。

　　目前，利用LAMOST光谱数据已经在银河系结构与演化、恒星物理研究、特殊天体搜寻等重要前沿领域取得了一系列有影响力的研究成果，主要成果如下。

　　(1) 通常认为，银盘有一个清晰的边界，这个边界在距离银河系中心大约5万光年处，该处银盘恒星的数目骤然下降，如同银盘在此处被切割掉。通过LAMOST这样能够获得数百万条恒星光谱的巡天项目，开启了银河系结构和演化更加精确研究的新篇章。

　　(2) 以前认为，银河系晕的结构特征是一个轴比不变的扁球体。利用LAMOST数据进行恒星计数的分析，确立银河系晕的结构是内部呈扁球状，到外部逐渐转变为球形，而且银晕中恒星的分布从内到外呈单一幂律分布。

　　(3) 暗物质是宇宙中最神秘的物质。由于暗物质粒子不参与电磁相互作用，因此它不会发光，天文学上只能通过其产生的引力作用来探测它的存在。使用天文观测对太阳附近的暗物质质量密度进行可靠测量是寻找暗物质粒子、理解暗物质在银河系中分布特点的重要一步。利用精心挑选的LAMOST巡天观测数据，采用假设较少、数学表达简单的垂向金斯方程模型，即垂直于银道面的引力分布与物质密度和恒星速度弥散之间关系的模型，对太阳附近的暗物质密度进行了重新估算，得到了新的结果。

　　(4) 前人使用各种方法对银河系总质量进行了估计，其估计结果从5000亿太阳质量到2.5万亿太阳质量，相差达5倍。利用LAMOST等观测数据，计算出迄今为止最为精确的银河系旋转曲线并构建了银河系的质量模型，得到精确的银河系总质量为9000亿太阳质量。

　　(5) 银河系在形成历史中会吞吃其附近的矮星系，这些并合进来的矮星系会在银河系晕中被拉散形成“星流”，星流的探测对理解银河系的形成、结构和演化具有重要意义。利用大样本的LAMOST光谱数据，在运动学空间中发现了7个源自银河系并合过程的新星流，占国际同类发现总数的一半。

　　(6) 因为矮星系的化学成分与银河系的不同，可以在化学空间搜寻来自银河系以外的恒星。利用LAMOST搜寻以及国际大望远镜的后随观测，发现了33颗丰度不同于银河系普通恒星的“低α丰度恒星”，数目是国际上发现此类天体的两倍。首次在银河系中发现了低镁的快中子俘获过程元素超丰恒星，这颗恒星的化学成分与矮星系恒星高度吻合，明显不同于银河系的晕族恒星，表明这颗恒星来自被银河系瓦解的矮星系，是银河系并合事件确切和可靠的化学证据。

　　(7) 利用LAMOST数据中K巨星的三维位置和三维速度，在银河晕中找到了40余组子结构，包含近2000颗恒星。在这些子结构中，包括大量的人马座星流、麒麟座星环、室女座致密区、孤儿星流等银晕中已知子结构和其他未知子结构的成员星，并第一次给出了银河系晕中大样本子结构的六维参数信息。这些信息更加精确地展现出银河系现在的结构以及其过去的吸积历史。

　　(8) 人马座星流是人马座矮星系受到银河系强大的潮汐作用力瓦解而留下的痕迹。由于这次潮汐瓦解事件是最近几十亿年刚刚发生的，因此它的结构在空间中异常显著，就像一条炫舞九天的赤焰飞龙，由南向北跨过整个银河系。利用LAMOST数据中的3万颗M巨星样本，与Gaia精确自行数据的结合，第一次在三维空间描绘出人马座星流的空间轨道分布，在距离太阳100 kpc远处追踪到该星流。并且，第一次在能量角动量空间对该星流进行了分析，展示了星流导臂和曳臂能量角动量的差异。

　　(9) 利用LAMOST巡天光谱数据并结合Gaia天体测量信息，发现年轻星团中的动力学加工效率非常高，只要几百万年就可以将双星系统破坏得面目全非。这说明，今天看到的场星中的双星统计性质已经不再反映它们原初的样子，而是经过动力学“加工”了的，这就给探索恒星形成的物理机制带来了相当大的挑战。

　　(1) 基于LAMOST获取的海量恒星光谱数据，从中遴选出了包含近百万颗处于恒星演化主序拐点或亚巨星阶段的恒星样本，得出了这些样本恒星的精确年龄和质量估计，其中近一半恒星的年龄精度达到20%~30%。该样本将具有可靠年龄信息的恒星数量扩大了两个量级以上，而且大大拓展了它们的空间覆盖范围;同时，这些恒星具有三维位置、三维速度、铁元素和α元素丰度等信息且选择函数简单明确，为全面揭示银河系特别是银盘的星族、结构、起源和演化提供了独特和关键的数据。

　　(2) 利用LAMOST数据测量了近6000颗类太阳恒星的磁活动指数，通过分析所有产生超级耀斑的恒星发现，大约10%的磁场与太阳磁场强度相似甚至更弱，这一现象说明太阳的确具有爆发超级耀斑的可能。

　　(3) 结合LAMOST的光谱数据和Kepler卫星观测到的凌星光变曲线颗行星的轨道偏心率和倾角的统计分布规律，最终发现，约八成的行星轨道都如同太阳系，轨道为近圆形(平均偏心率小于0.1)，只有两成左右的行星偏心率较大(平均值大于0.3)、显著地偏离了圆轨道。研究结果表明，太阳系在宇宙中是具有代表性的。

　　(4) 通过分析LAMOST望远镜的数据，为系外行星的重要类型——热木星找到了新的伙伴——热海星。与热木星类似，只有大约1%的恒星附近存在热海星。

　　(5) 利用“掩食时变”效应并结合LAMOST和Kepler望远镜数据，发现很多“掩食”行星周围都存在不共面行星，这是轨道共面假说所无法解释的。同时，统计数据传递出了新的多行星系统轨道分布规律：多行星系统中，越少行星的系统里各个行星轨道越不共面，而越多行星的系统里行星轨道越趋于共面。

　　(1) 利用LAMOST数据挑选出1万余颗金属丰度[Fe/H]–2.0的贫金属星候选体，发布了世界上最大的贫金属星亮源表。这一源表中，80%以上的目标亮于16.5等，非常适合现有地面观测设备进行高分辨率后续观测。首次对锂元素丰度异常超高的贫金属星进行了系统搜寻和研究，构建了该类天体的最大样本。

　　(2) 超高速星是一类稀有且重要的恒星，极快的运动速度使得它们能够摆脱引力势能的约束而从银河系逃逸，目前世界上已证认的超高速星仅有20余颗。在LAMOST近千万条光谱中，共发现了4颗超高速星，其中1个起源于银盘的超高速逃逸星(hyper-runaway star)。利用LAMOST DR7和Gaia数据发现了591颗高速星，其中43颗能够从银河系逃逸，使高速星的样本翻倍。

　　(3) 银河系中大约97%的恒星将最终演化为白矮星。通过观测白矮星，可以提供恒星形成的精确记录，研究银河系演化的历史。这样，利用LAMOST的大规模光谱巡天来寻找和研究白矮星就变得很有优势且有重要意义，现已发现了大量不同种类的白矮星。

　　(4) 发现了一颗迄今为止质量最大的恒星级黑洞，并提供了一种利用LAMOST巡天优势寻找黑洞的新方法。这颗70倍太阳质量的黑洞远超理论预言的质量上限，颠覆了人们对恒星级黑洞形成的认知，有望推动恒星演化和黑洞形成理论的革新。

　　(5) 发现了一颗奇特恒星，它的锂元素含量超级高，约是同类天体的3000倍，成为目前人类已知锂元素丰度最高的恒星，称得上富锂恒星中的超级“贵族”。确定了富锂巨星的真实演化阶段，颠覆了传统认知。基于LAMOST数据并利用国内外望远镜进行随后观测，证认了44 颗富锂巨星，这是目前国际上一致性最好、数据量最大的高分辨率富锂巨星样本。利用LAMOST数据发现了1万颗富锂巨星，是以往所有发现的4倍。

　　(6) Oe星是一种非常稀少的天体，从1974年到现在，仅仅发现了13颗Oe星。利用LAMOST数据新发现了6颗Oe星，使Oe星样本增加了近50%。

　　(7) OB星是光谱型为O型和B型的早型恒星。利用LAMOST DR5发布的海量光谱数据，补充完善了OB星的详细分类特征;结合谱指数方法，构建了目前国际上同时具有光谱信息的、最大的OB星星表，包含16032颗OB星。

　　(1) 利用LAMOST对斯隆数字巡天中由于光纤碰撞而没有光谱观测的星系样本进行补充观测，得到了2400余个星系对。首次精确地测量了近距离星系对的二元光度函数，即不同光度的两个星系构成星系对的概率分布。根据大样本星系对的统计描述，可以在一定程度上反演出星系对的并合过程。

　　(2) 类星体是光度最高、释放能量最强的一类活动星系核，它们的光度可以高达普通星系光度的数万倍，是宇宙中最明亮的持续发光天体。利用LAMOST光谱巡天，已经证认了42552颗类星体，其中17128个是被LAMOST首次发现，这为研究类星体光谱变化、发现特殊类星体等研究工作提供了丰富的光谱数据。

　　LAMOST的进展和科研成果引起了国际天文界的广泛关注与合作兴趣，共有141所国内外科研院所和大学利用LAMOST数据开展研究工作，其中包括美国、比利时和德国等的著名天文研究机构。随着LAMOST进入中分辨率光谱和低分辨率光谱交替观测的新时代，天文学家将基于LAMOST千万光谱不断刷新人类对宇宙的认知，更多高显示度的研究成果将会陆续出现，这将极大地推进对银河系及恒星物理等方面的研究。

　　LAMOST是中国天文学家创新发明的新类型望远镜：在国际上首先创新性地应用主动光学技术，实现在观测中光学镜面曲面连续变化，不同瞬间形成不同反射施密特系统的新型光学系统，突破了国际上长期以来望远镜大视场与大口径难以兼得的瓶颈。在国际上首先创新性地发明了分区并行可控双回转机器人光纤定位方法和技术，可在很短的时间内使4000根光纤精确对准天体，从而获得4000个天体的光谱。

　　LAMOST使我国成为在国际上率先开展一次可观测数千个天体光谱的大规模光谱巡天的国家，为我国在国际大样本天文学领域占有一席之地提供了极为难得的、重要的历史机遇。LAMOST数据首次在国际上实现了大规模光谱巡天在天区覆盖、巡天体积、采样密度及统计完备性等方面的重大突破，为开展银河系的系统研究提供了极好的、具有传承价值的样本。随着LAMOST光谱巡天观测的继续开展以及光谱数据的发布，越来越多的天文学家将利用LAMOST光谱数据在各个天文领域开展研究，更多高显示度的科研成果将如雨后春笋般涌现，从而推动人类对宇宙的进一步认识。

　　赵永恒，国家天文台研究员、博士生导师，郭守敬望远镜(LAMOST)运行和发展中心常务副主任，中国天文学会常务理事。1990年于学获理学博士学位。主要从事天文学和天体物理研究，包括活动天体的理论研究、高能天体的观测分析、多波段观测、数据分析技术、天文信息技术以及LAMOST项目的科学研究和工程管理等工作。