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郭守敬望远镜:巡天遥指,雄心未已
来源:     作者:      2016-10-08 11:39       

 

■本报见习记者 李晨阳

在河北省兴隆县燕山主峰——雾灵山郁郁葱葱的南麓,老远就能看到一组巨大的白色装置静静伫立。谁能想到,在几何形态的外壳里,藏着一双巡视太空的“明眸”——24块六角形平面子镜(Ma)和37块六角形球面子镜(Mb),构成两只巨大的“复眼”。

它的全称是“大天区面积多目标光纤光谱天文望远镜”,英文简称为LAMOST。2010年,它被正式冠名为“郭守敬望远镜”,名字来源于发明过多种观测仪器的元代天文学家郭守敬。

建·也曾抱团取暖,一直雄心勃勃

上世纪90年代初,两位中科院院士——王绶琯和苏定强,提出了开展大规模光谱巡天的科学思想。他们所主张的“中星仪式主动反射施密特望远镜光学系统”方案,在世界上独一无二。

LAMOST的两大关键技术分别是主动光学和光纤定位。观测中,数十块镜面的形状能随时修正、精确协调;同时,多达4000根光纤在焦面上快速定位。而在当时,国际上最先进的望远镜只有400根光纤,配备640根光纤的美国斯隆巡天望远镜还没有竣工。

像所有新生事物一样,雄心勃勃的LAMOST在一片质疑声中起航了。1996年,LAMOST被列为国家“九五”重大基础科学研究项目。后来成为中科院院士的崔向群,接下了“敢死队长”的重任,带领团队投入到核心技术攻关中。

同年,32岁的中科院国家天文台研究员赵永恒进入项目组工程指挥部,成为当时最年轻的成员。回顾LAMOST建设早期的情形,他告诉《中国科学报》记者:“每一个大科学项目,都会经历一段困难时期。对LAMOST而言,主要是1998~2002年的实验探索期。”

在南京天文光学技术研究所,研究者先建造了只有一块Ma子镜和一块Mb子镜的“小LAMOST”。其涵盖了主要关键技术和有关项目望远镜部分的许多工程技术内容。经过一次次探索,到2002年年底,闭环控制的主动光学技术终于实现。“这时候,大家心里才觉得有把握了。”赵永恒说。

此外,4000根光纤的定位、数十块镜面的拼接……背后都是研究人员不懈的钻研和鏖战。终于,历经11年的艰难求索,2008年10月,LAMOST全面落成。

在那段攻坚克难的“黑暗时期”,团队成员一起“抱团取暖”,解决了一个个棘手的难题。从资深的院士专家到年轻的科技工作者,再到工人和技术人员,大家都是同一个战壕里的战友。

赵永恒忘不了,2007年,LAMOST建设的关键时段,他们第一次在兴隆过春节。山里不能放鞭炮,好在食堂里有饺子,门楹上有春联。之后的多年间,由于LAMOST不能中断观测,在山上过年成了这个团队的常态。“现在大家连对联都不贴了,因为觉得跟平时没什么不同。”赵永恒笑着说。

用·治“大数据”如烹小鲜

与LAMOST相隔一条马路,是兴隆观测中心的大楼。楼上有一间观测室,正前方是8块紧密排列的大屏幕。

大屏幕上显示的光谱图像,乍看去像一排琥珀色的竹简。一条条细细的光带整齐致密,点缀着发射线造成的白色光点。观测与运行部主任施建荣告诉记者,每一条带都是一根光纤传回的天体数据,“天文学家才能读懂其中的信息”。

几位LAMOST团队的成员说,他们最大的成就感就是拿到很多很多的数据,并利用其在全世界科学研究的浩瀚星河中带来一些变化。

从2011年启动巡天开始到2015年年底,LAMOST已经发布了455万恒星光谱数据。这是美国斯隆巡天项目的4倍,是澳大利亚RAVE项目的8倍,在数量上已是世界第一。

有研究者这么形容,获取数据只能算是把菜买回来了,接下来要像厨师那样“烹饪数据”。最早的巡天数据回来后,其复杂程度令早期版本的软件无法适应。为此,数据处理部的成员天天加班加点,周末不休,才有了现在可堪重用的软件系统。

凭借LAMOST太空普查、海量数据的特点,科学家有了源源不断的新发现,包括新的富锂巨星、高速星、极端贫金属星等有重要研究价值的特殊天体;构建了迄今最大的恒星光谱样本;在恒星演化、银河系演化和暗物质分布方面,取得大样本研究重要成果……

2014~2015年的观测季,利用LAMOST数据发表的SCI论文及论文引用数,有了大幅增加,分别增长了100%和140%。

一位运用LAMOST数据进行研究的中国学者笑称,现在,他的论文好像比以前更难发了:“过去,我们总是用国外的数据发文章。现在,我们用自己的数据研究第一手的问题,有时还会推翻国际上已有的结论。国外审稿人都不习惯了!”

从LAMOST获益的,不只是中国学者。今年年初,丹麦和比利时科学家在《自然—通讯》杂志上发表了一篇论文,通过对5648颗类太阳恒星的观测,指出了太阳可能产生的超级耀发。成果一出,便受到全世界广泛关注。

赵永恒说:“我们建立了不少中美、中欧等合作项目,希望LAMOST数据的公开释放能促进国内外天文学家的合作研究。”

变·从未停下改进的步伐

几年来,LAMOST的仪器性能、观测效率、光谱质量等,都在不断提高。

在2012年前的先导巡天阶段,LAMOST获得光谱的达标率只有48%。在技术维护与发展部门的努力下,望远镜的性能得到有效改善。与此同时,观测运行部的人员也用心统筹规划,摸索出一套观测技巧。到2015年,也就是常规巡天第三年时,观测成功率已经达到70%以上,效果非常理想。

即便是那些观测失败后被扔进“垃圾堆”的数据,研究人员也没有放弃。在数据部主任罗阿理及成员的共同努力下,通过建模、模拟、验证等过程,抢救那些之前可能丢弃的数据。

这项工作很难,但成果令人欣喜。相对于今年7月13日国际发布的DR2数据集的400多万数据,研究人员采用最新版本,增加了好几万条“死而复生”的数据。

现在,LAMOST每年获取的数据量都会增加150万条左右。而高精度的仪器设备也并未随岁月表现出明显的老化。

然而,昂首前行的LAMOST也并非没有隐忧。与上世纪90年代相比,今天的兴隆,天文观测条件逐渐变差。经济发展带来的光污染、雾霾下逐渐降低的透过率,全球气候变化导致的空气湿度增加……一系列变迁让原本犀利的“眼睛”,很难看到更远、更暗的星体。

目前,科学家正在探讨LAMOST二期工程。他们希望,能在条件更好的天文观测地修建一个升级改造的LAMOST望远镜,将光纤数量提高到史无前例的1万条。

20年过去了,LAMOST依然雄心勃勃。它对无尽长空的巡天之旅,只是刚刚开始。

记者手记

“无用”之用

全世界的大科学装置,都面临一个反复被提起的问题。那就是,花这么多钱,建这么多装置,对国民经济有用吗?有人甚至说,造大科学装置,还不如建希望小学。

不可否认的是,绝大多数大科学装置,甚至包括很多基础研究,都无法产生直接的经济效益。但这些看似“无用”的研究,从长远来看,变革了人们对世界的认知,推动了人类文明的进步甚至飞跃,塑造了社会面貌和历史格局。

天文学研究带来的科技革命,影响了后来的牛顿、爱因斯坦等科学家;普通人难以理解的量子力学,以晶体管、密码、互联网等形式被广泛应用;为探测外星生命建立的遥感科学理论,让CCD数码照相机成为可能……不断追求观测极致的LAMOST,也倒逼出了一个个理念创新、技术突破乃至制造水平的进步。

古人云:“无用之用,是为大用。”新生事物的价值,往往无法用固有的眼光去审视。因此,朝向未知领域的科学探索,也不能用阶段性的投入产出比去评判。

在推崇成果转化和号召科技服务国民经济主战场的当下,仍有一些科研工作应留在象牙塔、在山巅、在高原、在深海……谁能说一朝走出深闺,不会艳惊天下呢?