當(dāng)課本里的公式化作星辰軌跡,實(shí)驗(yàn)室的儀器和裝置便是叩問未知的鑰匙。北京市科協(xié)推出“器以載道”專欄,以光學(xué)、力學(xué)、化學(xué)、生物學(xué)為經(jīng)緯,系統(tǒng)梳理那些改寫學(xué)科版圖的經(jīng)典儀器和科學(xué)裝置。它們既是丈量微觀世界的標(biāo)尺,更是人類思維進(jìn)化的里程碑。讓我們共同見證儀器革新如何叩開科技之門,見證儀器與科技發(fā)展如何綻放思想的光芒。
在浩瀚的宇宙中
人類對(duì)星空的探索從未停歇
郭守敬望遠(yuǎn)鏡
不僅是中國天文觀測(cè)的“國之重器”
更是全球首個(gè)
實(shí)現(xiàn)大口徑與大視場融合的光學(xué)望遠(yuǎn)鏡
用獨(dú)特的“眼睛”重新定義了
人類觀測(cè)宇宙的方式
郭守敬望遠(yuǎn)鏡(LAMOST,大天區(qū)面積多目標(biāo)光纖光譜天文望遠(yuǎn)鏡)是一架新類型的大視場兼?zhèn)浯罂趶酵h(yuǎn)鏡,即“王-蘇反射施密特望遠(yuǎn)鏡”,其以元代天文學(xué)家郭守敬命名,于2008年在國家天文臺(tái)興隆觀測(cè)基地落成并投入觀測(cè),2012年正式進(jìn)入科學(xué)巡天階段。
郭守敬望遠(yuǎn)鏡由三個(gè)核心部件組成(如上圖所示):主動(dòng)非球面施密特改正鏡(Ma)、球面主鏡(Mb)以及兩者之間的焦面系統(tǒng)。施密特改正鏡Ma可以跟蹤天體的運(yùn)動(dòng),將天體的光反射到固定在地基上的球面主鏡Mb,再經(jīng)主鏡反射后成像在焦面上。這里的施密特改正鏡Ma和球面主鏡Mb分別由24塊對(duì)角徑1.1米的可變形的六角形平面子鏡和37塊對(duì)角徑1.1米的不可變形的六角形球面子鏡拼接而成。
技術(shù)特性:大口徑與大視場的融合
20世紀(jì)90年代,傳統(tǒng)光學(xué)望遠(yuǎn)鏡通常面臨“大口徑”與“大視場”難以兼顧的矛盾:大口徑可提高單目標(biāo)觀測(cè)精度,但視場較?。淮笠晥鲭m能覆蓋更多天體,卻受限于集光能力。王綬琯等科學(xué)家提出創(chuàng)新設(shè)計(jì),巧妙運(yùn)用主動(dòng)光學(xué)技術(shù),通過4000余塊獨(dú)立控制的鏡面單元,在觀測(cè)過程中動(dòng)態(tài)調(diào)整主鏡形狀,有效口徑在3.6米至4.9米之間變化,視場(FOV)達(dá)5°,一次觀測(cè)可以覆蓋天空中約20平方度的天區(qū)面積。其焦面配有4000根光纖和光纖定位單元,光纖末端連接到16臺(tái)光譜儀,最多可以同時(shí)記錄4000個(gè)天體的光譜。
科學(xué)效能:光譜觀測(cè)的規(guī)?;黄?/strong>
天體光譜是解析恒星成分、運(yùn)動(dòng)速度及宇宙距離的關(guān)鍵依據(jù)。郭守敬望遠(yuǎn)鏡可精準(zhǔn)對(duì)準(zhǔn)視場內(nèi)的目標(biāo)天體,同步獲取高分辨率光譜。這一特性使其在銀河系研究中表現(xiàn)突出:通過對(duì)恒星化學(xué)豐度與運(yùn)動(dòng)軌跡的分析,科學(xué)家得以追溯銀河系不同結(jié)構(gòu)的形成歷史,例如揭示旋臂結(jié)構(gòu)、暗物質(zhì)分布等特征。此外,在宇宙學(xué)領(lǐng)域,該望遠(yuǎn)鏡為星系演化、大尺度結(jié)構(gòu)測(cè)量等課題提供了海量基礎(chǔ)數(shù)據(jù),有效支持了暗能量性質(zhì)研究等前沿課題。
國際合作:開放共享的科學(xué)平臺(tái)
郭守敬望遠(yuǎn)鏡積極參與國際合作,與多個(gè)國家和地區(qū)的天文機(jī)構(gòu)開展聯(lián)合研究項(xiàng)目,共享數(shù)據(jù)資源和觀測(cè)設(shè)施,提升了中國在國際天文學(xué)領(lǐng)域的影響力和話語權(quán)。
基于郭守敬望遠(yuǎn)鏡海量的巡天數(shù)據(jù),天文學(xué)家構(gòu)建世界上第一個(gè)億星級(jí)消光數(shù)據(jù)庫,發(fā)布首幅覆蓋全天的銀河系三維塵埃消光特性圖,并首次實(shí)現(xiàn)銀河系三維塵埃分布與消光曲線的同步測(cè)繪。這項(xiàng)重要天文學(xué)研究成果,由德國馬克斯·普朗克研究所的中國博士研究生張翔宇與其導(dǎo)師格雷戈里·格林(Gregory Green)博士合作完成,相關(guān)論文北京時(shí)間2025年3月14日凌晨在國際知名學(xué)術(shù)期刊《科學(xué)》以封面文章形式在線發(fā)表。
成果豐碩:天文學(xué)的新篇章
光譜數(shù)據(jù)庫:截至2024年3月,郭守敬望遠(yuǎn)鏡發(fā)布光譜數(shù)達(dá)到2512萬余條,仍然是世界上唯一一個(gè)發(fā)布光譜數(shù)達(dá)到千萬量級(jí)的光譜巡天項(xiàng)目,為天文學(xué)研究提供了海量數(shù)據(jù)支持,其數(shù)據(jù)已被用于銀河系結(jié)構(gòu)、恒星物理、黑洞搜尋等眾多領(lǐng)域。
特殊恒星發(fā)現(xiàn):2018年發(fā)現(xiàn)鋰含量為太陽3000倍的超富鋰恒星;2022年一次性識(shí)別9顆超富鋰矮星,其中一顆鋰含量達(dá)太陽含量的31倍。
黑洞探測(cè):2019年,中國科學(xué)家利用郭守敬望遠(yuǎn)鏡發(fā)現(xiàn)了一個(gè)70倍太陽質(zhì)量的恒星級(jí)黑洞——LB-1,遠(yuǎn)超理論預(yù)言的質(zhì)量上限,顛覆了人們對(duì)恒星級(jí)黑洞的認(rèn)知,開辟了一條利用巡天優(yōu)勢(shì)尋找黑洞的新路。
恒星初始質(zhì)量函數(shù):2023年研究發(fā)現(xiàn),恒星初始質(zhì)量分布隨金屬豐度與年齡變化,顛覆了該函數(shù)“普適不變”的傳統(tǒng)假設(shè),影響星系演化與暗物質(zhì)研究。
郭守敬望遠(yuǎn)鏡是中國自主創(chuàng)新的大型光學(xué)天文望遠(yuǎn)鏡,它以高效的觀測(cè)能力和扎實(shí)的科學(xué)數(shù)據(jù),持續(xù)推動(dòng)人類對(duì)宇宙的認(rèn)知。隨著技術(shù)的不斷完善和數(shù)據(jù)的積累,這臺(tái)先進(jìn)之眼將繼續(xù)在宇宙探索中發(fā)揮重要作用,為天文學(xué)研究開啟新的篇章。
制作:北京市科協(xié)融媒體中心