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11月28日凌晨,國際科學(xué)期刊《自然》發(fā)布了中國科學(xué)院國家天文臺劉繼峰、張昊彤研究團(tuán)隊的一項重大發(fā)現(xiàn)。依托我國自主研制的國家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施郭守敬望遠(yuǎn)鏡(LAMOST),研究團(tuán)隊發(fā)現(xiàn)了一顆迄今為止質(zhì)量最大的恒星級黑洞,并提供了一種利用LAMOST巡天優(yōu)勢尋找黑洞的新方法。
發(fā)現(xiàn)被譽(yù)為“黑洞之王”的“功臣”——郭守敬望遠(yuǎn)鏡，就被安放在國家天文臺興隆觀測站。
這個巡天利器為什么選擇安放在這里?它又是憑借怎樣的技術(shù)來顛覆人們對恒星級黑洞形成的認(rèn)知呢?
為什么它能“看到”？
在河北省內(nèi)燕山主峰霧靈山南麓的連營寨，10個現(xiàn)代化的天文圓頂矗立于郁郁蔥蔥的山脊之上。這里就是當(dāng)今亞洲規(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。興隆觀測站目前共有50厘米以上的天文望遠(yuǎn)鏡9架，其中，著名的郭守敬望遠(yuǎn)鏡(LAMOST)就在這里。
LAMOST是國家重大科學(xué)工程之一，2010年4月被冠名為“郭守敬望遠(yuǎn)鏡”。這是一架大視場兼?zhèn)浯罂趶叫滦凸鈱W(xué)望遠(yuǎn)鏡，它是目前我國最大的光學(xué)望遠(yuǎn)鏡，其有效通光口徑達(dá)到4米，視場角直徑為5度。郭守敬望遠(yuǎn)鏡的結(jié)構(gòu)完全由我國的科學(xué)家獨(dú)創(chuàng)，地球上沒有第二架。
郭守敬望遠(yuǎn)鏡結(jié)構(gòu)設(shè)計特殊，同時兼具大口徑和大視場兩個優(yōu)點(diǎn)，大口徑意味著更多的進(jìn)光量，大視場意味著可觀測的范圍更廣，可同時觀測的目標(biāo)數(shù)量更高。
郭守敬望遠(yuǎn)鏡的焦面上安裝了4000根可以自由移動的光纖，也就是說一次觀測就能拍攝近4000個天體的光譜。直到今天郭守敬望遠(yuǎn)鏡還是世界上光譜獲取效率最高的望遠(yuǎn)鏡。
它于2012年開始運(yùn)行，至2015年上半年僅兩年半的時間，它獲取的光譜數(shù)量就已經(jīng)超過了世界上其他望遠(yuǎn)鏡之前拍攝所有光譜數(shù)量的總和。截止到2018年6月一期觀測結(jié)束，郭守敬望遠(yuǎn)鏡總共獲取了超過900萬條光譜，而這個數(shù)字還將會隨著已經(jīng)開始的二期觀測而繼續(xù)以驚人的速度增加。
利用郭守敬望遠(yuǎn)鏡龐大的光譜數(shù)量，天文學(xué)家們得以對銀河系進(jìn)行“星口普查”。例如，天文學(xué)家利用郭守敬望遠(yuǎn)鏡為銀河系重新畫像，兩次刷新了銀河系半徑大小，從原來的5萬光年擴(kuò)大到了10萬光年，增加了一倍;還有最近利用郭守敬望遠(yuǎn)鏡發(fā)現(xiàn)了人類已知的鋰含量最高的巨星，它的鋰含量是同類恒星的3000倍以上，堪稱“宇宙最大充電寶”;天文學(xué)家還通過郭守敬望遠(yuǎn)鏡發(fā)現(xiàn)了萬余顆來自宇宙早期的貧金屬星，它們?nèi)缤钪娴?ldquo;化石”一樣記錄了宇宙早期的演化信息;郭守敬望遠(yuǎn)鏡找到了一批超高速星，它們的速度快到甚至可以擺脫銀河系的引力。
2016年秋季開始，研究團(tuán)隊利用該望遠(yuǎn)鏡開展雙星課題研究，歷時兩年監(jiān)測了一個小天區(qū)內(nèi)3000多顆恒星。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在一個X射線輻射寧靜的雙星系統(tǒng)(LB-1)中，一顆8倍太陽質(zhì)量的藍(lán)色恒星，圍繞一個“看不見的天體”做著周期性運(yùn)動。不同尋常的光譜特征表明，那個“看不見的天體”極有可能是一顆黑洞。
研究人員隨即進(jìn)行了“確認(rèn)”：他們通過西班牙10.4米口徑加納利大望遠(yuǎn)鏡和美國10米口徑凱克望遠(yuǎn)鏡，進(jìn)一步確認(rèn)了LB-1的光譜性質(zhì)，計算出該黑洞的質(zhì)量大約是太陽的70倍。
劉繼峰表示，如果利用一架普通四米口徑望遠(yuǎn)鏡來尋找這樣一顆黑洞，同樣的幾率下，則需要40年的時間——這充分體現(xiàn)出LAMOST超高的觀測效率。“LB-1的發(fā)現(xiàn)標(biāo)志著利用LAMOST巡天優(yōu)勢搜尋黑洞新時代的到來”。
據(jù)了解，2019年3月，郭守敬望遠(yuǎn)鏡(LAMOST)公開發(fā)布了1125萬條光譜，成為全球首個突破千萬的光譜巡天項目，被天文學(xué)家譽(yù)為全世界光譜獲取率最高的“光譜之王”。在此次黑洞發(fā)現(xiàn)過程中，郭守敬望遠(yuǎn)鏡(LAMOST)共為這項研究做了26次觀測，累積曝光時間約40個小時。
為了紀(jì)念LAMOST在發(fā)現(xiàn)這顆巨大恒星級黑洞上做出的貢獻(xiàn)，天文學(xué)家給這個包含黑洞的雙星系統(tǒng)命名為LB-1。
為何會建在興隆？
和普通望遠(yuǎn)鏡不同，科研用的天文望遠(yuǎn)鏡更大、更重、精度更高，同時也很難移動。因此，建設(shè)天文望遠(yuǎn)鏡之前，必須考慮一個重要的問題：建在哪兒?
天文學(xué)家們需要前往全國各地人跡罕至之處(為了避開光污染)，選擇晴夜數(shù)較多(有更多的時間可以觀測)、大氣寧靜度較好(拍攝的圖像質(zhì)量會更好)的地點(diǎn)作為觀測站的站址。
在選擇興隆之前，負(fù)責(zé)選址的科學(xué)家們在荒郊野嶺中尋覓了11年，這期間的苦累同經(jīng)常出現(xiàn)的生命危險比不值一提。為了找到優(yōu)良的天文臺址，當(dāng)時動用了幾乎所有可能的手段，現(xiàn)在的興隆站站址，是歷經(jīng)千辛萬苦才確定的。
興隆觀測站大氣透明度好，且每年平均有240～260個光譜觀測夜，其中包含100～120個測光觀測夜，晴夜數(shù)多，具備優(yōu)秀的天文觀測條件和完善的后勤保障設(shè)施。
正是因為興隆這樣的優(yōu)質(zhì)地理位置，讓科學(xué)家們把郭守敬望遠(yuǎn)鏡安放在此。
興隆觀測基地隸屬于中國科學(xué)院國家天文臺和中國科學(xué)院光學(xué)天文重點(diǎn)實驗室，于1965年首次踏勘，1968年開始投入使用，經(jīng)過近50年的建設(shè)，成為亞洲大陸規(guī)模最大的光學(xué)天文觀測基地。興隆縣隸屬于河北省承德市，在北京的東北方向，基地則位于興隆縣境內(nèi)的燕山主峰南麓，平均海拔約900米，地理坐標(biāo)為東經(jīng)117°34′38″，北緯40°23′45″。
興隆觀測基地目前口徑大于50厘米的望遠(yuǎn)鏡共有9臺，分別為：郭守敬望遠(yuǎn)鏡(LAMOST)、2.16米天文望遠(yuǎn)鏡、1.26米紅外望遠(yuǎn)鏡、1米反光望遠(yuǎn)鏡、60/90厘米施密特望遠(yuǎn)鏡、85厘米反光望遠(yuǎn)鏡、80厘米反光望遠(yuǎn)鏡、60厘米反光望遠(yuǎn)鏡、50厘米反光望遠(yuǎn)鏡，具備完備的高、中、低色散光譜和高精度測光觀測設(shè)備，探測能力覆蓋光學(xué)波段和近紅外波段。
除LAMOST已發(fā)布了目前世界上最大的光譜數(shù)據(jù)庫外，每年有百余人次的國內(nèi)外天文學(xué)家利用2.16米等其他天文望遠(yuǎn)鏡從事恒星、星系和太陽系內(nèi)天體等多種天文觀測研究。基于基地2.16米天文望遠(yuǎn)鏡等設(shè)備已獲得多項重要研究成果，包括國家自然科學(xué)二等獎一項，軍隊科技進(jìn)步一等獎一項，多篇論文發(fā)表于NATURE等頂級學(xué)術(shù)期刊，多項成果入選年度十大天文科技進(jìn)展，并在國際聯(lián)測中發(fā)揮著重要作用。
還會帶來哪些驚喜？
郭守敬望遠(yuǎn)鏡建成之后，一次次的觀測結(jié)果和技術(shù)成就，無一不給我們帶來驚喜。
今年1月，望遠(yuǎn)鏡觀測、研究宇宙誕生初期的歷史有了新進(jìn)展：基于巡天獲取的數(shù)以百萬計的銀河系恒星光譜，形成了目前世界上最大的貧金屬星亮源表，這成為研究銀河系早期演化的寶貴資源。
中科院國家天文臺趙剛研究團(tuán)隊利用LAMOST開展了國際上最大規(guī)模的貧金屬星搜尋項目。該團(tuán)隊李海寧等人利用LAMOST巡天數(shù)據(jù)挑選出一萬余顆金屬含量不到太陽百分之一的貧金屬星候選體，形成了目前世界上最大的貧金屬星亮源表。表中80%以上的目標(biāo)非常適合現(xiàn)有地面觀測設(shè)備進(jìn)行高分辨率后續(xù)觀測。
LAMOST貧金屬星項目是國際上目前效率最高的同類搜尋計劃，項目的實施為國內(nèi)外天文界提供了前所未有的大樣本貧金屬星。基于這些樣本與Gaia衛(wèi)星觀測結(jié)合形成的大數(shù)據(jù)，將為我們迎來恒星考古的新時代。
今年3月28日，LAMOST望遠(yuǎn)鏡第6年光譜觀測任務(wù)已圓滿結(jié)束，經(jīng)過9個月的數(shù)據(jù)處理及質(zhì)量分析，包含先導(dǎo)巡天及前6年正式巡天的LAMOST-DR6數(shù)據(jù)集也于當(dāng)月27日正式對中國國內(nèi)天文學(xué)家和國際合作者發(fā)布。
中科院國家天文臺指出，LAMOST-DR6光譜集成為目前世界上天區(qū)覆蓋最完備、巡天體積和采樣密度最大、統(tǒng)計一致性最好、樣本數(shù)量最多的天文數(shù)據(jù)集，這是中國天文基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫第一筆大規(guī)模的寶貴儲備，將為研究銀河系及一般星系的形成與演化提供強(qiáng)有力的基礎(chǔ)性數(shù)據(jù)。
銀河系有很多伴星系，如位于銀盤下方的大小麥哲倫星系，就像地球的引力牽著月亮轉(zhuǎn)一樣，銀河系也牽著這些星系轉(zhuǎn)動。但是，此前科學(xué)家們都未能對其進(jìn)行具體描繪。
今年7月，來自中科院天文大科學(xué)研究中心特聘青年研究員、上海天文臺博士后李靜，中科院國家天文臺研究員劉超等人利用郭守敬望遠(yuǎn)鏡(LAMOST)第一次描繪出了銀河系的一個伴星系——人馬座矮星系的星流(下稱人馬座星流)的三維空間軌道分布，該項研究成果已經(jīng)發(fā)表在《天體物理學(xué)報》雜志上。
11月14日，云南天文臺雙星與變星研究團(tuán)組研究人員利用郭守敬望遠(yuǎn)鏡(LAMOST)光譜巡天數(shù)據(jù)和美國開普勒測光巡天數(shù)據(jù)，給出了目前為止最大的具有豐富參數(shù)的雙星物理參量星表，獲得了1320顆雙星的物理參數(shù)，為理解銀河系內(nèi)雙星的整體性質(zhì)，探討雙星的起源和演化提供了重要的觀測基礎(chǔ)。
對天文觀測而言，“光譜千萬條，研究第一條”。
目前，中國、美國、德國、比利時、丹麥等國家和地區(qū)的124所科研機(jī)構(gòu)和大學(xué)的769位用戶，正在利用LAMOST巡天數(shù)據(jù)開展研究工作，并已在銀河系結(jié)構(gòu)與演化、恒星物理研究、特殊天體搜尋等重要前沿領(lǐng)域取得一系列有影響力的研究成果。迄今共發(fā)表438篇有顯示度的SCI科研成果，引用4200余次。
中科院國家天文臺表示，隨著LAMOST光譜巡天的繼續(xù)開展及光譜數(shù)據(jù)的持續(xù)公開發(fā)布，更多天文學(xué)家將利用LAMOST光譜數(shù)據(jù)在各個天文領(lǐng)域開展不同尺度的研究，產(chǎn)生更多科研成果，進(jìn)而推動人類進(jìn)一步認(rèn)識宇宙。
依托既有資源，興隆縣有關(guān)方面則表示，該縣正與中科院國家天文臺興隆觀測站等方面合作，正布局相關(guān)項目，發(fā)展星空科普產(chǎn)業(yè)。
文/記者趙澤眾 綜合央視新聞、光明日報、科技日報等媒體報道
