The Innovation | LAMOST: 十年一镜览星河
导 读
LAMOST（郭守敬望远镜）是我国自主研制的、兼具大口径和大视场的光谱巡天望远镜。自2011年起，LAMOST巡天已经发布了1700余万条天体光谱，构建了世界上最大的天文光谱数据库。来自LAMOST的巡天数据推动了天文研究中诸多前沿领域的重要进展，尤其是拓展了我们对于银河系以及其中各类天体的认知（图1）。
图1 图文摘要
天文学是一门以观测为基础的科学。400年前伽利略第一次将望远镜指向夜空，随后天文望远镜便成为了人类认识宇宙的有力武器。彼时的天文观测多是针对某个天体或某个区域，随着天文望远镜的发展以及人类对宇宙难以抑制的好奇，天文学家不再满足于仅仅研究特定目标或区域，而是雄心勃勃的想要将一大片，乃至整个夜空中的所有天体全都普查一遍。这种形式的天文观测叫做“巡天”。
不难想象，巡天需要望远镜兼具大视场和大口径，也就是既要“看的广”，又要“看得远”。在这种需求下，LAMOST诞生了。LAMOST的全名为大天区面积多目标光纤光谱天文望远镜（Large Sky Area Multi-Object Fiber Spectroscopy Telescope），是天文领域的首个国家重大科技基础设施。落成之后，它还被冠名为郭守敬望远镜（郭守敬是我国元代著名的天文学家）。图2是LAMOST的结构和光路系统。天体的光从夜空入射到主动改正镜Ma，之后被反射至球面主镜Mb，最后在焦面上成像。
图2 LAMOST的结构与光路示意图
LAMOST是反射式施密特望远镜，应用薄变形镜面主动光学加拼接镜面主动光学技术，在有效口径4米的情况下视场可以达到5度之广。它可以同时观测近4000个目标，是光谱获取效率最高的望远镜之一。图3展示了由LAMOST所拍摄的不同类型天体光谱和每年巡天的“足迹”范围。LAMOST在第八次数据释放时（DR8），已经对外发布了1700余万光谱，早已成为世界上最大的天体光谱数据库。
图3 LAMOST光谱示例与巡天足迹
LAMOST绝大部分光谱都来自于银河系中的天体。银河系是人类的家园星系，但我们对其理解其实还很有限，这是“不识庐山真面目，只缘身在此山中”的真实写照。同时，银河系是为数不多的可以在单颗恒星层面进行“解剖式”研究的星系，也是我们研究其他星系的参照标准，就像太阳之于恒星一样。
LAMOST最基础和最核心的科学价值是其目前所观测到的1700余万条光谱，以及由此所推导出的各类天体的基本信息（例如温度、表面重力、元素丰度等）。它们是天文学家研究各类天体属性的基础，也正是这些数据，让我们重新认识了银河系。图4展示了LAMOST DR8中所有恒星最常用的几组物理参数信息。
图4 LAMOST第八次数据释放所公开的恒星物理参数信息（图中共~600万颗恒星）
得益于巡天的光谱数据，现在我们已经知道银河系盘（银盘）并非是一个平坦的盘（图1），相反，它在演化历史中一直被扭曲和扰动着。与众多较小星系（后称矮星系）的并合被认为是形成我们今天看到的银河系盘的一个关键原因。这些矮星系的物质被银河系所吸引和剥离，最终成为分布在银河系周围的星流。图1中的浅蓝色星流就是此类事件的历史遗迹之一，即人马座矮星系的残骸。我们通过LAMOST的数据发现或研究了很多类似的遗迹。
再举一个LAMOST帮助我们更好地认识银河系的例子。相当长的一段时期内，人们认为银河系的直径大约只有10万光年，但在LAMOST数据的帮助下，现在我们已经清晰地知道银河系至少有20万光年之大。
除了改变对银河系的认知，LAMOST海量光谱还如同蕴藏宇宙财富的宝库一般，让天文学家发现了大量有趣的天体。例如，LAMOST发现了一颗绕着“虚空”旋转的恒星，并最终在“虚空”中发现了能吞噬一切的怪物——黑洞（图5）；发现了锂丰度最高的恒星，其锂含量是太阳的3000多倍；发现了一类新的系外行星族群“热海星”，为行星的形成理论提供了新线索。当然，它的发现远不止于此，还有“宇宙活化石”贫金属星、“银河系的博尔特”超高速星、会“变脸”的类星体、来自其他星系的“流浪”恒星等等，限于篇幅就不一一展开了。
图5 通过视向速度变化发现恒星级黑洞示意图
LAMOST十年巡天，遍览星河，寥寥千字无法尽言其科学发现。目前基于LAMOST数据所发表的科学论文已经近千篇，其中很多都改变了我们对于宇宙的认知。这些成绩，即便是万字长文恐也难以面面俱到，但终究是一件有意义的事。
总结与展望
LAMOST巡天已经进入下一个阶段。自2018年开始，其已经顺利启动了新的巡天模式——中分辨率巡天。中分辨率光谱（R ≡ λ⁄Δλ∼7500）能够揭示更精细的谱线结构，提供天体更高精度的物理参数、化学丰度以及视向速度等信息。中分辨率数据使得LAMOST巡天在更高精度的基础上，可以更好地进行“时域天文”研究，特别是强化在双星演化、变星、恒星形成区、发射线星云、致密天体等热点领域的研究。在不久的将来，LAMOST还将进一步升级改造，从而迈入高精度和超大规模数据量的新时代，以更好地拓展未来的巡天观测及科学目标。
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原文链接：https://www.cell.com/the-innovation/fulltext/S2666-6758(22)00020-0
本文内容来自Cell Press合作期刊The Innovation第三卷第二期以Review发表的“Overview of the LAMOST survey in the first decade” (投稿: 2021-04-23；接收: 2022-02-06；在线刊出: 2022-03-08)。
DOI: https://doi.org/10.1016/j.xinn.2022.100224
引用格式：Yan H., Li H., Wang S., et al. (2022). Overview of the LAMOST survey in the first decade. The Innovation. 3(2),100224.
作者简介
闫宏亮，中国科学院国家天文台星云计划研究员。南京大学理学学士，中国科学院大学天体物理学博士。主要从事天体化学丰度、银河系化学演化等领域的研究，LAMOST运行团队核心成员之一。主要成果入选“2018年中国十大天文科技进展”。获国家级人才项目支持，中国天文学会第八届“黄授书”奖等。
赵永恒，国家天文台研究员、博士生导师, LAMOST运行和发展中心常务副主任, 中国天文学会常务理事。1990年于南京大学获理学博士学位。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。
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