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捕捉“黑洞之王”的望远镜是南京造!未来有望“搬家”或再造一台

现代快报讯(记者 阿里亚 胡玉梅 / 文 苏蕊 / 摄)每当夜幕降临,位于河北燕山山脉深处的郭守敬望远镜(LAMOST)缓缓打开穹顶。自诞生以来,这架望远镜一直是国内外天文学界关注的焦点,取得了一系列有影响力的成果。近日,国际科学期刊《自然》发布一项重大发现——依托郭守敬望远镜,中国天文学家发现了一颗迄今为止质量最大的恒星级黑洞。

△ LAMOST 望远镜

这个发现 " 黑洞之王 " 的 " 功臣 " ——郭守敬望远镜,由中国科学院南京天文光学技术研究所设计和制造。这个世界独一无二的望远镜背后有哪些故事?它又是凭借怎样的 " 绝技 " 颠覆了人们对恒星级黑洞形成的认知呢?带着这些问题,现代快报记者独家专访了中国科学院院士、中科院南京天文光学技术研究所研究员崔向群。

△崔向群

捕捉 " 黑洞之王 ",LAMOST 望远镜再立功

黑洞是一种不发光的神秘天体,难以被发现。根据质量的不同,黑洞一般分为恒星级黑洞 ( 100 倍太阳质量以下 ) 、中等质量黑洞 ( 100 倍 -10 万倍太阳质量 ) 和超大质量黑洞 ( 大于 10 万倍太阳质量以上 ) 。其中,恒星级黑洞绝大多数是由恒星死亡后形成的。

" 理论预言银河系中有上亿颗恒星级黑洞。迄今为止,天文学家找到了约 20 颗恒星级黑洞。而且,都是通过黑洞所发出的 X 射线来识别的、质量均小于 25 倍太阳质量的黑洞。" 崔向群说,黑洞中能发出 X 射线的只占少数,那些‘低调’的黑洞就很难被找到。" 此次发现的黑洞就不发出 X 射线,没有 LAMOST 就发现不了它。"

崔向群介绍,中国科学院国家天文台的研究团队利用 LAMOST 望远镜,选择了一个天区中的 3000 多个天体,进行两年的监测。他们偶然发现,一颗惹眼的蓝色恒星围绕一个 " 看不见的天体 " 做着周期性运动。不同寻常的光谱特征表明,这个 " 看不见的天体 " 极有可能是一颗黑洞。研究人员进行 " 确认 " 后,计算出该黑洞的质量大约是太阳的 70 倍。" 它是迄今质量最大的恒星级黑洞,它的发现十分重要且有意义,有望推动恒星演化和黑洞形成理论的革新。" 崔向群说。

值得一提的是,在两年的监测时间里,LAMOST 望远镜共为这项研究做了 26 次观测,累积曝光时间约 40 个小时。崔向群表示,如果利用一架普通的望远镜来寻找这样一颗黑洞则需要 40 年的时间,这充分显示出 LAMOST 望远镜超高的观测效率。

全球独款望远镜,造型独特、擅长获取光谱

LAMOST 望远镜的结构完全由我国的科学家独创,地球上没有第二架。它的中文名字叫做大天区面积多目标光纤光谱天文望远镜。为了纪念元代著名的天文学家郭守敬,取名叫 " 郭守敬望远镜 "。不过,大家还是喜欢叫它的英文缩写 LAMOST。

LAMOST 不仅名字长," 长相 " 也很独特。它是一座指向天空的、巨大的白色建筑。LAMOST 之所以有这样独特的外观,正源自于它的创新之处。崔向群介绍说,LAMOST 的左边是一个圆顶,圆顶里面藏着一块反射镜叫 Ma。该反射镜由 24 块 1 米的反射镜拼接而成。最右边是一座高 40 多米的塔,塔顶藏着另一块更大的反射镜叫 Mb,该反射镜由 37 块 1 米的反射镜拼成。其中每个六边形反射镜都有半人高。观测时,星光首先进到圆顶里面 , 经过 Ma 的反射,穿过镜筒,到达主镜 Mb。再经过 Mb 反射会聚,成像在中间的焦面上。

△ Ma 由 24 块 1 米的反射镜拼接而成

LAMOST 的拿手绝活是可以一次性拍下 4000 个天体的光谱,也正是这个优势助力天文学家发现了此次的主角 " 黑洞之王 "。那么,光谱到底是什么呢?" 光谱就好比给人做身体检查一样,有了光谱才能辨别出遥远的天体有哪种物质,它们的含量有多少,还可以知道恒星的表面温度、运动速度等等。" 崔向群说。

LAMOST 的焦面密密麻麻地排布了 4000 根光纤。遥远的星光来到 LAMOST 身体里,穿过一条条光纤,最终来到 16 台光谱仪上。再经过一系列的复杂处理,天文学家就能得到这枚星光 " 身体 " 里包含的各种宝贵信息。今年 3 月,LAMOST 公开发布了 1125 万条光谱,被天文学家誉为全世界光谱获取率最高的 " 光谱之王 "。崔向群告诉现代快报记者,国内外的天文学家利用这些观测资料,去做各种各样的天文学研究。

△ LAMOST 光路图

十年磨一 " 镜 ",LAMOST 望远镜背后的故事

LAMOST 如同崔向群的孩子一样,她为此倾入了十几年的心血。

上世纪 90 年代初,中科院院士王绶琯、苏定强等人在考虑下一步的中国天文大设备时,创造性地提出了 LAMOST 这种大视场兼备大口径的望远镜的方案。当时,崔向群在总部位于德国的欧洲南方天文台从事世界上最大的望远镜的研制工作。有一天,她收到老师苏定强的来信。信中,苏定强提出建立 LAMOST 望远镜的构想。由于技术挑战难度很大,项目组希望崔向群加入。

于是,崔向群回国担任了 LAMOST 的总工程师,负责项目的立项和预研中的技术工作。她每月的工资降到了原来的 40 分之一。崔向群说,这么好的想法,如果不能把它实现,那该有多遗憾。她介绍,LAMOST 当时是国家投入较多的大科学工程之一,但这些钱在国外只能够买光学望远镜需要的两块大镜子。在一片质疑声中,崔向群带着团队全身心投入核心关键技术攻关。

2008 年,LAMOST 终于建成。它解决了世界上大视场望远镜不能同时兼有大口径的难题,成为世界上最大口径的大视场望远镜。大口径意味着更多的进光量,大视场意味着可观测的范围更广,可同时观测的目标数量更高。" 完成这样一项大工程真的很不容易。" 崔向群说,LAMOST 项目最大的难点和技术挑战是有好几项世界上从来没有人做过并且都认为很难做成的关键技术。另外在当时还很难保持队伍的稳定。

她回忆说,20 世纪 90 年代中期,LAMOST 立项之初就面临严重的人才困境。由于种种原因,很多年轻人在中途就走掉了。之后,经过各种条件的改善和 LAMOST 项目的历练,年轻人得到了迅速成长。" 所以,LAMOST 能获得成功,是整个团队十多年锲而不舍的结果,我只是他们其中的一员而已。"

△中科院南京天文光学技术研究所内有一架小 LAMOST

成果丰硕!LAMOST 望远镜未来可能 " 搬家 " 或新建一台

利用 LAMOST 望远镜庞大的光谱数量,天文学家们得以对银河系进行 " 星口普查 "。据崔向群介绍,天文学家利用 LAMOST 为银河系重新画像,刷新了银河系半径的大小,从原来的 10 万光年扩大到了 20 万光年,增加了两倍。此外,还利用 LAMOST 发现了人类已知的锂含量最高的巨星,它的锂含量是同类恒星的 3000 倍以上,堪称 " 宇宙最大充电宝 "。此外,LAMOST 还找到了一批超高速性星,它们的速度快到甚至可以摆脱银河系的引力。

"LAMOST 正式观测是从 2012 年开始,不到十年的时间它就出了很多成果。此次黑洞的发现是其中比较有代表性的成果之一。接下来,利用 LAMOST 极高的观测效率,天文学家有望发现一大批‘深藏不露’的黑洞。" 崔向群说,这个代表性的意义以后会慢慢地显示出来。

" 我们现在在考虑怎么不断地完善和提升 LAMOST。" 崔向群表示,随着 LAMOST 望远镜光谱巡天的继续开展及光谱数据的持续公开发布,更多天文学家将利用 LAMOST 光谱数据在各个天文领域开展不同尺度的研究,产生更多科研成果,进而推动人类进一步认识宇宙。

中国科学院国家天文台兴隆观测站位于河北兴隆燕山山脉深处。因为大气透明度好,且每年平均有 200 个光谱观测夜,晴夜数多,科学家们把 LAMOST 望远镜安放在此。可是如今由于城市灯光污染加重、雾霾等原因,观测夜减少到平均每年只有约 120 天。崔向群透露说,为了更好的发挥 LAMOST 望远镜的作用,未来有可能会 " 搬家 " 到具备更好天文观测条件的西部或者新造一台更大的 LAMOST 望远镜。

(受访人供图 编辑 余爽)

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