lamost(奥尔特云有多厚)

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天文学“圣杯”级的发现

北京时间2019年11月28日上午9:30，中国国家天文台新闻发布会正在举行[1]。站台上的研究员刘继峰穿着深色西装，白衬衫上系着一条大红色领带，这让他非常高兴。这场发布会显然极其重要，台下坐满了重量级媒体记者。人民日报、新华社、光明日报、中央广播电视总台、美联社、路透社、法新社等数十家国内外知名媒体到场。

发射后，研究员刘继峰非常自豪地说:

这一次，我们利用LAMOST的伟大发现赢得了这一领域的圣杯。为此，美国引力波天文台台长大卫·霍华德·雷茨先生专门给我们发来贺信，信中说，恭喜你们，这一非凡的成就将与过去四年引力波天文台探测到的两个黑洞合并一起，推动黑洞天体物理研究的复兴。

图：双黑洞合并（来源：depositphotos，已购买）图:两个黑洞的合并(来源:depositphotos，购买)

那么，怎样的发现才能和2016年轰动世界的引力波事件相提并论呢？很多人误以为黑洞早已是一个非常古老的概念，天文学家也在宇宙中发现了很多黑洞。事实上，到目前为止，银河系中人类可以观测并确认的黑洞有20多个。黑洞的发现，准确的说是找到了黑洞确凿的观测证据，即使在当今先进的天文学中，仍然是一个极其重要的发现。更不用说，我们发现了一个超越现有人类认知的黑洞。

是的，我们可以自豪地说，这是中国天文学家为世界天文学做出的“圣杯”发现，极有可能彻底改写现有的恒星演化理论。做出这一重要发现的功臣就是这个故事中的主角，位于河北省兴隆县的郭守敬望远镜，简称LAMOST，即大面积多目标光纤光谱天文望远镜。

图：郭守敬望远镜（来源：维基）图片:郭守敬望远镜(来源:维基)

那么，这个新发现的黑洞有什么特别之处呢？为什么可以重写教材？你得先听我给你讲讲LAMOST的故事。

LAMOST：大口径+大视场

20世纪80年代以前，我国几乎没有拥有自主知识产权的大型专业天文望远镜。建造我们自己的大型天文望远镜，一直是老一辈天文学家的夙愿。

长期以来，在天文望远镜设计领域，一直存在着一对看似不可能的表演，那就是在大口径和大视场之间，它们就像鱼和熊掌。有熟悉摄影的朋友知道，越是像大炮一样拍鸟，取景范围越小。而那些超广角镜头反而可以做得很小。这就是大光圈和大视场的矛盾。简而言之，就是“看得远”和“看得广”，不可兼得。

上世纪90年代，以王守官院士和苏院士为首的我国天文工程团队创造性地提出了一个鱼与熊掌兼得的计划，这就是我们郭守敬望远镜LAMOST的建设计划。它针对国际天文学界亟待解决的大口径与大视场的矛盾，希望开辟中国自主研发大口径望远镜的发展道路。

1997年，LAMOST计划获得批准并正式成立。这台望远镜的全称是“大天区多目标光纤光谱望远镜”，是我国首个天文大科学工程。

你一定很好奇，想知道我们的望远镜工程师是如何解决大光圈和大视场的矛盾的。解决方案的关键是光纤。LAMOST的整体结构是一个施密特反射望远镜。来自恒星空的光首先被一个叫MA的平面主镜反射到一个叫MB的凹面主镜。光线汇聚到MB反射镜的焦平面，4000根光纤在焦平面上与光线相遇。这些光纤将准确地将光从不同方向导入光谱仪。这个设计极其巧妙，因为有4000根光纤，理论上我们可以同时观测多达4000个不同的恒星光谱。这相当于获得了一个超级大的视野。因此，LAMOST并不像传统的光学望远镜那样拍摄天体的美丽照片，它捕捉的是天体的光谱。

但这个道理说起来容易，做起来却很难。

首先，为了降低建造成本，LAMOST的两块主镜是由24块和37块小六角镜拼接而成。当望远镜指向不同的方向时，在地球引力的影响下会有一些差异。因此，我们需要随时调整每个镜子的精确位置，使它们能够准确地跟踪天体。为了让拼接的镜子像整个镜头一样工作，R&D团队在每个镜头的背后设计并安装了一个致动器。这些致动器不仅承受镜子的重量，还可以调整镜子的形状。千分之一毫米的实时调整是通过计算机算法实现的，这就是所谓的主动光学技术。中国科研团队在主动光学技术上的创新，使得LAMOST项目的完成成为可能。

要让4000根光纤中的每一根都精确地对准一个天体，也是一个极其困难的工程问题。LAMOST解决这个问题的绝招叫做“分区工作并行控制的光纤定位系统”。该系统将直径为1.75m的焦平面分成4000个直径为33 mm的小圆，每个小圆上放置一个可旋转的光纤定位单元，每个单元上放置一根光纤。然后利用计算机进行精确控制，使望远镜在几分钟内就能根据星表位置将4000根光纤精确定位在焦平面上。

图：直径1.75m的焦面（来源：LAMOST.org）图:直径1.75米的焦平面(图片来源:LAMOST.org)

图：光纤定位单元（来源：LAMOST.org）照片:光纤定位装置(来源:LAMOST.org)

软件与硬件的匹配同样重要。LAMOST的团队不仅构建了强大的硬件系统，还构建了非常先进的光分析软件系统。

由于天体的光通过大气、望远镜、光纤、光谱仪等介质，中间夹杂了宇宙射线和杂散光的干涉，最终形成原始光谱，因此不能直接使用原始数据，需要复杂的算法进行数据处理。自2004年以来，这套由中国科学家团队独立开发的软件从未停止过版本的迭代。软件系统经过3000多次更新，8万多行代码，保证了LAMOST的数据精度达到国际先进水平。

经过五年的建设，LAMOST终于在2009年6月通过了验收，并开始工作。

图：郭守敬望远镜与银河（来源：LAMOST.org）图片:郭守敬望远镜和星系(图片来源:LAMOST.org)

LAMOST观测天空。在很多人的印象中，天文学家还是坐在天文望远镜前观察天空的图像空。其实这是一个很老的形象了。现代天文学家一般先用望远镜收集天体的图片和其他数据，再用这些图片和数据分析天体的信息。LAMOST在可见光波段捕捉天体的光谱，光谱与人类的指纹不同。恒星包含不同的元素，发出的光有自己独特的光谱和颜色。更重要的是，天体的运动也会改变天体的光谱特征。因此，只要天文学家能够得到一颗恒星的光谱，就可以通过光谱分析这个天体的物质组成、移动速度、距离等诸多性质。我们把光谱比作明星的身份证也不为过。

LAMOST的第一个主要成就是有几千万个巡天光谱。2019年3月，LAMOST七年巡天光谱数据正式发布，其中包含1125万个光谱，约为其他国际巡天项目发布光谱总和的两倍。至此，郭守敬望远镜成为世界上首个获得千万级光谱的光谱巡天项目。这些光谱数据可以说是当今世界上覆盖面最全、调查量和采样密度最大、统计一致性最好、样本数量最多的天文数据集。国内外数百个研究所和大学正在利用这些数据开展研究工作。

图:郭守敬望远镜的“巡天足迹”(图片来源:LAMOST.org)

LAMOST团队在为其庞大的光谱数据感到自豪的同时，在同年11月又有了一个意想不到的发现，让他们再次兴奋起来！为了这个发现，国家天文台专门召开了一个级别非常高的新闻发布会，这在历史上是罕见的。这就是本章开头描述的场景。

LAMOST挑战经典恒星理论

为了了解LAMOST团队有什么重要发现，我想告诉你一些关于黑洞形成的基础知识。

你可能已经知道，黑洞是恒星生命的终结。如果黑洞是恒星坍缩形成的，我们称之为恒星黑洞。恒星最终能坍缩成多大的黑洞，不仅与它的初始质量有关，还与它的金属丰度和质量损失过程有关。金属丰度是指恒星中除氢和氦以外的所有元素的含量。大质量恒星的金属丰度越低，风损失率越低，核心坍缩形成的黑洞质量越大。因此，恒星的初始质量越大，可以形成的黑洞就越大。

图：一颗恒星变为黑洞的过程（来源：NASA）图:恒星变成黑洞的过程(来源:NASA)

根据目前教科书上的恒星演化理论，在太阳的金属丰度下，即使恒星的质量达到太阳的100倍甚至更大，经过一系列的物质损失后，其演化出的恒星黑洞也不会超过太阳质量的25倍。换句话说，恒星黑洞的质量理论上不能超过太阳质量的25倍。这个理论在过去的观察中一再得到证实。人类已经发现了20多个恒星黑洞，质量都在太阳的20倍以内，完全符合理论预测。

然而，中国天文学家的发现让这本教科书式的经典恒星理论陷入了危机。

LAMOST在双子座附近的天空中发现了一颗特殊的星星。所有的光谱特征表明，这颗恒星和另一个看不见的黑洞形成了一个双星系统，它们围绕着共同的质心旋转。我们之前说过，银河系新黑洞的发现已经是非常重要的天文发现了。天文学家当然很高兴。他们将这个黑洞命名为LB-1，意思是LAMOST发现的第一个黑洞。

当恒星和黑洞围绕共同的质心旋转时，天文学家可以根据恒星的质量和它们的公转周期计算出黑洞的质量。经过仔细计算，天文学家确定LB-1的质量约为太阳的70倍。

图：恒星与黑洞围绕着共同质心旋转（来源：NASA）图:恒星和黑洞围绕一个共同的质心旋转(来源:NASA)

但是这个质量一计算出来，天文学家就迷惑了。这个黑洞怎么会有这么大的质量？远远超过了一个恒星黑洞的质量上限，有点奇怪。

一般来说，当天文学家发现一颗恒星和一个黑洞形成一个双星系统时，最自然的情况是黑洞起源于原来的双星系统。也就是说，原本有两颗恒星相互环绕，但随着时间的推移，其中一颗坍缩成了黑洞。双星系统一般起源于同一个宇宙尘埃云，所以双星系统中两颗恒星的金属丰度基本相同。

LB-1的伴星具有与太阳相似的金属丰度。按理说，形成LB-1黑洞的恒星也与太阳相似。所以在现有的恒星演化理论下，LB-1的质量应该不会超过太阳的25倍。

这样，天文学家不得不推翻LB-1起源于原始双星系统的假设。那么，就只剩下一个假设了，就是这颗伴星可能是后天被黑洞捕获的。也就是说，LB-1黑洞在Tai 空中漫游，在吞噬了许多恒星之后，慢慢成长到现在的质量。然后，它又遇到了现在的这颗星，并捕获了它。

然而，这个假设也被LAMOST的进一步观察所否定，证据确凿。什么证据？即LB-1黑洞及其伴星相互绕转的轨道几乎是圆形的，这个证据非常有力。让我给你解释一下为什么。

想象一个黑洞在宇宙中游荡。当恒星靠近它时，黑洞的引力就像一只无形的手抓住了恒星。根据万有引力定律，我们可以计算出，恒星和黑洞的轨道一开始一定是一个偏心圆，但不可能是正圆。当然，天体动力学的计算表明，随着时间的推演，这个轨道会慢慢变圆，这个过程叫做轨道圆化。

图：LB-1艺术图（来源：LAMOST.org）图片:LB-1艺术图片(来源:LAMOST.org)

轨道绕行的速度取决于黑洞对恒星的潮汐力。潮汐力越大，绕圆速度越快，反之亦然。这个运动过程就是从牛顿时代就已经掌握的天体物理知识。可以说是不会错的，我们现在已经可以在电脑里精确模拟了。

然而，通过计算机模拟，中国的天文学家发现，将LB-1及其伴星的轨道圆化成现在的状态，需要的时间超过宇宙的年龄！换句话说，俘获理论不能成立。

结果，LB-1成了一个任何现有的天文学理论都无法解释的异常现象。因为这个发现如此重要，LAMOST团队花了三年时间反复验证数据，还请了西班牙的10.4米加那利望远镜和美国的10米凯克望远镜协助观测，才最终确认了这个重要发现。研究员刘继峰说，当他们向《自然》投稿时，审稿人问了他们很多问题。经过反复修改和润色，论文终于发表了。

来之不易的成果坚如磐石，是中国天文学家对现代天文学的重大贡献之一。因为任何可能推翻现有教科书级别理论的发现，都有可能给人类的科学事业以巨大的推动。

现在，LB-1的谜题摆在了天文学家面前。时至今日，它仍然是一个未解的宇宙之谜。这是一个正在进行的天文发现。我们都可以期待天文学家解开LB-1成因之谜的那一天。

LAMOST 的传奇只是刚刚开始

作为我国巡天的利器，LAMOST望远镜的成就不仅限于黑洞。在星系结构与演化、恒星物理研究、特殊天体搜索等前沿领域取得了一系列研究成果。

2019年4月，LAMOST发现了一颗重元素含量超高的恒星。这颗独特的恒星成功吸引了天文学家的兴趣。中国天文学家与日本国家天文台的天文学家合作，将这颗恒星的化学成分与银河系中的矮星和有银晕的恒星进行了详细的比较。因此，这颗恒星的化学成分与矮星高度一致，但与银河系不同。这说明恒星来自一个矮星系，而不是银河系，这是银河系合并矮星系的确凿证据[2]！这类超高重元素含量的恒星为研究银河系合并史提供了理想的工具，加深了人们对星系形成和演化的认识。

图：银河系合并矮星系的过程（来源：欧空局）图:银河系矮星系合并过程(来源:欧空局)

2020年12月，国家天文台根据LAMOST和Gaia 空望远镜获得的数据发现了591颗高速恒星，它们的运动速度比其他恒星快得多。其中有43个能够摆脱银河系的引力束缚，最终飞出银河系[3]。在此之前，天文学家通过望远镜发现了550多颗高速星，但这一发现使人们发现的高速星数量增加了一倍，总数直接超过1000颗，大大扩展了高速星的样本，为天文学家研究高速星提供了更多的信息，在高速星研究史上具有重要意义。

图：591颗高速恒星的位置和轨道（图：中科院）图:591颗高速常数星的位置和轨道(图:中科院)

就星系科学和恒星科学而言，LAMOST是世界上最强大和最有成效的望远镜之一。但这些成就只是它传奇的开始。我国将启动郭守敬望远镜二期工程[4]，将工程移至地理环境优越的青海冷湖镇。按照郭守敬二期工程的规划，郭守敬口径将从4.9m提高到8.4m，光纤数量从4000根提高到12000根，极限星等从17.8级提高到21级，巡天规模从几千万光谱提高到上亿光谱。二期工程完成后，LAMOST将不仅是银河系的“守望者”，还将因其光谱数和极端星等的提升，成为“画像”宇宙的超级望远镜。不出意外，LAMOST II的观测数据将刷新人类对宇宙的认知。

图：冷湖（depositphotos，已购买）照片:冷湖(存款照片，购买)

古代中国曾经拥有世界上最好的观星平台，拥有世界上最敬业最优秀的天文记录仪，成就了中国古代天文学的辉煌。但进入近代后，中国的天文事业明显落后于西方发达国家。但是最近十几年，中国的天文事业有了长足的进步，一个个观测天空的神器异军突起。随着中国一个又一个天文神器的建成，世界天文学的中心正在从西方向东方转移。变革的大幕正在徐徐拉开，一个属于中国人的天文学新时代即将到来。

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