給星星做普查

張君波

郭守敬望遠(yuǎn)鏡是我國(guó)天文領(lǐng)域的第一個(gè)大科學(xué)工程項(xiàng)目，它的主要任務(wù)是對(duì)星星進(jìn)行“星口”普查。

郭守敬望遠(yuǎn)鏡建在了哪里？長(zhǎng)什么樣子？又為什么叫“郭守敬望遠(yuǎn)鏡”？它的“普查”成果有哪些？讓我們一起走進(jìn)郭守敬望遠(yuǎn)鏡。

國(guó)家天文臺(tái)興隆觀測(cè)站全景圖（攝影/陳穎為）

引頸凝視天空的“白天鵝”

從位于北京的中國(guó)科學(xué)院國(guó)家天文臺(tái)總部出發(fā)，驅(qū)車大約2小時(shí)即可抵達(dá)位于河北省興隆縣的國(guó)家天文臺(tái)興隆觀測(cè)站。這里群山環(huán)繞，環(huán)境優(yōu)美，郭守敬望遠(yuǎn)鏡就靜靜地矗立于此，猶如美麗的白天鵝引頸凝望天空。所有初次見(jiàn)到郭守敬望遠(yuǎn)鏡真容的朋友，都會(huì)為它高大的外表所震撼，紛紛感嘆從未見(jiàn)過(guò)造型如此獨(dú)特的光學(xué)望遠(yuǎn)鏡。

寓意深遠(yuǎn)的命名

1276年，我國(guó)元代科學(xué)家郭守敬奉命修訂歷法，發(fā)明簡(jiǎn)儀、高表等12種觀天儀器，其制定的《授時(shí)歷》是當(dāng)時(shí)世界上最先進(jìn)的一種歷法，在古代通行360多年，在我國(guó)天文史上鐫刻下了璀璨的一筆。

郭守敬望遠(yuǎn)鏡“工作時(shí)間表”

2010年4月17日，大天區(qū)面積多目標(biāo)光纖光譜天文望遠(yuǎn)鏡（LAMOST）正式被冠名為“郭守敬望遠(yuǎn)鏡”。用“郭守敬”來(lái)命名LAMOST望遠(yuǎn)鏡意義深遠(yuǎn)，不僅可以使后人銘記我國(guó)古代天文研究史上的輝煌成績(jī)，更可以激勵(lì)當(dāng)代人勇攀世界天文研究的高峰。

郭守敬望遠(yuǎn)鏡（攝影/陳穎為）

奇特的光路

郭守敬望遠(yuǎn)鏡造型獨(dú)特，主要由3根柱形建筑由北向南依次從低到高排列。3根柱形建筑的頂部分別放置著郭守敬望遠(yuǎn)鏡的3個(gè)最主要的組成部分：主鏡Ma，焦面和主鏡Mb。

晴朗的夜晚，當(dāng)夜幕降臨時(shí)，Ma的天文圓頂會(huì)被打開(kāi)，將Ma主鏡完全暴露在星空之下，焦面附近的焦面大門(mén)也會(huì)徐徐放倒，使

Ma->Mb->焦面之間的光路貫通起來(lái)。

本領(lǐng)不凡 多個(gè)世界之最

郭守敬望遠(yuǎn)鏡獨(dú)特的外表似乎也預(yù)示著它不凡的本領(lǐng)。確實(shí)，郭守敬望遠(yuǎn)鏡自2008年建成后便創(chuàng)下了多個(gè)世界之最：首次在一個(gè)光路里，采用兩面大主鏡（Ma和Mb）；首次在一塊主鏡（Ma）上，同時(shí)應(yīng)用了薄鏡面主動(dòng)光學(xué)和拼接鏡面主動(dòng)光學(xué)技術(shù)；成為大口徑兼大視場(chǎng)光學(xué)望遠(yuǎn)鏡的世界之最；焦面上密布4000根光纖，理論上一次曝光即可獲得4000顆天體的光譜；率先在國(guó)際上采用并行可控的光纖定位技術(shù)，成為當(dāng)時(shí)世界上光譜獲取率最高的望遠(yuǎn)鏡，并領(lǐng)跑達(dá)10年之久。

不斷創(chuàng)新的建設(shè)之路

郭守敬望遠(yuǎn)鏡的建設(shè)之路，也是一條不斷創(chuàng)新之路。

“取經(jīng)”之路

在郭守敬望遠(yuǎn)鏡之前，國(guó)際上最成功的光譜巡天項(xiàng)目之一是美國(guó)的斯隆數(shù)字巡天項(xiàng)目，該項(xiàng)目是基于一臺(tái)2.5米口徑望遠(yuǎn)鏡開(kāi)展的，焦面處原本設(shè)置640根光纖，后來(lái)升級(jí)成1000根光纖。采用焦面板替換的方法切換不同天區(qū)，即根據(jù)當(dāng)晚的觀測(cè)計(jì)劃，提前在不同的鋁板上進(jìn)行打孔，每塊鋁板代表望遠(yuǎn)鏡一次可觀測(cè)的天區(qū)，每個(gè)小孔對(duì)應(yīng)該天區(qū)的一顆星星。白天，工作人員對(duì)這些鋁板進(jìn)行插光纖操作。

推陳出新

當(dāng)郭守敬望遠(yuǎn)鏡進(jìn)行焦面設(shè)計(jì)時(shí)，曾經(jīng)也考慮參考斯隆數(shù)字巡天項(xiàng)目的經(jīng)驗(yàn)，每天制作不同的天區(qū)鋁板，人工手動(dòng)插光纖。但該方案很快便被否決掉，代之以更加高效、環(huán)保的并行可控光纖定位技術(shù)。

郭守敬望遠(yuǎn)鏡光路圖（繪圖/張玲）

郭守敬望遠(yuǎn)鏡在觀測(cè)前，4000根光纖可以在很短的時(shí)間內(nèi)受控精準(zhǔn)地“走”到預(yù)設(shè)的位置。值得驕傲的是，在郭守敬望遠(yuǎn)鏡建成之前，我國(guó)技術(shù)人員常到國(guó)外“取經(jīng)”；郭守敬望遠(yuǎn)鏡建成后，國(guó)外研究人員紛紛來(lái)我國(guó)學(xué)習(xí)望遠(yuǎn)鏡建造技術(shù)。

技能值拉滿的觀天利器

天文學(xué)是一門(mén)基于觀測(cè)發(fā)展起來(lái)的學(xué)科，從郭守敬望遠(yuǎn)鏡技能值拉滿這一點(diǎn)不難看出，它一定是一柄“觀天利器”——基于它的觀測(cè)數(shù)據(jù)，已經(jīng)在很多方面刷新了人們對(duì)銀河系的認(rèn)知。

銀河系直徑新解

郭守敬望遠(yuǎn)鏡建成之前，在人們的傳統(tǒng)認(rèn)知中，銀河系的直徑約為10萬(wàn)光年?？墒牵蒲腥藛T基于郭守敬望遠(yuǎn)鏡的巡天數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，真實(shí)的銀河系要比我們之前認(rèn)識(shí)的大一倍，也就是銀河系的直徑至少有20萬(wàn)光年。

2015年，本文作者訪問(wèn)時(shí)，了解斯隆數(shù)字巡天項(xiàng)目如何插光纖

還原銀河系的成長(zhǎng)史

我們并不知道銀河系早期形成歷史是怎樣的一幅場(chǎng)景，但是科研人員利用郭守敬望遠(yuǎn)鏡觀測(cè)的光譜數(shù)據(jù)，結(jié)合歐洲航天局蓋亞衛(wèi)星發(fā)布的天體觀測(cè)信息，即恒星位置、距離和運(yùn)動(dòng)信息，獲得了25萬(wàn)顆恒星精確的年齡，從時(shí)間軸上真實(shí)地還原出銀河系幼年和青少年時(shí)期的成長(zhǎng)史。

“打撈”銀河系里的璀璨珠寶

銀河系就像個(gè)大寶藏，郭守敬望遠(yuǎn)鏡通過(guò)巡天的方式“打撈”里面璀璨的珠寶，發(fā)現(xiàn)的奇珍異寶還真不少。例如：它發(fā)現(xiàn)了迄今最大的恒星級(jí)黑洞，其發(fā)現(xiàn)過(guò)程表明，利用郭守敬望遠(yuǎn)鏡尋找黑洞大有可為；發(fā)現(xiàn)了一顆迄今為止最為古老的第二代恒星，推斷其第一代恒星是約260倍太陽(yáng)質(zhì)量的超大質(zhì)量恒星，刷新了人們對(duì)第一代恒星質(zhì)量分布的認(rèn)知；發(fā)現(xiàn)了新的系外行星族群——熱海星；發(fā)現(xiàn)了人類已知鋰元素豐度最高的恒星，被譽(yù)為“宇宙最大充電寶”……

郭守敬望遠(yuǎn)鏡焦面的光纖定位單元

斯隆數(shù)字巡天項(xiàng)目所用的打好孔的鋁板

不凡的國(guó)際影響力

據(jù)統(tǒng)計(jì)，有來(lái)自全球近200所科研機(jī)構(gòu)和大學(xué)的上千名用戶，正在利用郭守敬望遠(yuǎn)鏡產(chǎn)出的數(shù)據(jù)開(kāi)展各項(xiàng)研究，他們的科研產(chǎn)出呈井噴式增長(zhǎng)。目前，郭守敬望遠(yuǎn)鏡年均產(chǎn)出科研論文超過(guò)200篇，其中國(guó)外天文學(xué)家發(fā)表的成果占比超過(guò)40%，這也反映出郭守敬望遠(yuǎn)鏡不凡的國(guó)際影響力。

為宇宙天體留下寶貴檔案

彈指一揮間，郭守敬望遠(yuǎn)鏡自2012年正式開(kāi)啟巡天之旅至今，已穩(wěn)定運(yùn)行十余載。2019年，它成為全球首個(gè)發(fā)布光譜總數(shù)超千萬(wàn)的巡天項(xiàng)目，4年后其獲取的光譜數(shù)量再翻一倍，2023年3月它成為國(guó)際上率先發(fā)布2000萬(wàn)量級(jí)光譜數(shù)據(jù)的巡天項(xiàng)目。

郭守敬望遠(yuǎn)鏡發(fā)布的恒星參數(shù)星表數(shù)量，已連續(xù)10年穩(wěn)居世界第一，為人類留下了關(guān)于銀河系，甚至遙遠(yuǎn)宇宙天體的寶貴檔案，成為人類探索宇宙奧秘的不竭寶藏。

在郭守敬望遠(yuǎn)鏡的幫助下，全球天文學(xué)家在銀河系結(jié)構(gòu)與形成演化、恒星物理的探究、特殊天體和致密天體的搜尋等方面均取得了重大突破性成果。未來(lái)，讓我們一起期待郭守敬望遠(yuǎn)鏡產(chǎn)出更多矚目的成績(jī)吧！

（責(zé)任編輯 / 高琳 美術(shù)編輯 / 周游）