重新認識銀河的模樣

銀河系下的郭守敬望遠鏡。 

銀盤面積增大示意圖。國家天文臺供圖

8月7日，中國科學院國家天文臺宣布，由其管理和運行的國家重大科技基礎設施郭守敬望遠鏡(LAMOST)已圓滿完成一期光譜巡天觀測。一期巡天共發布光譜901萬，其中高質量光譜(信噪比大于10)777萬，確定534萬組恒星光譜參數。

LAMOST發布的光譜數是世界上其他巡天項目發布光譜數總和的1.8倍。該數據集(DR5)已于2017年12月31日對國內天文學家和國際合作者發布。此外，一期巡天以來，利用LAMOST數據共發表SCI論文345篇，被引用3000余次。

銀河系的疆界被大大拓展，半徑可能達到約10萬光年

過去的幾十年，天文學家普遍認為銀河系的半徑約為5萬光年。它的中心附近存在一個棒狀結構，外面呈現盤狀結構(銀盤)、四周被較稀疏的恒星包裹(銀暈)，太陽距離銀河系中心約為2.5萬光年。

此前，人們還認為銀盤在距離銀河系中心約5萬光年處有一個清晰的邊界，在這個邊界處銀盤恒星的數目驟然下降，如同銀盤在此處被切割掉。但是近年來，一些觀測在這個邊界之外陸續發現一些屬于銀盤的年輕恒星，這似乎暗示銀盤的邊界應該更大。然而，要證實這點還需要對更多、更遠的恒星進行統計。

2017年底，國家天文臺科研人員利用LAMOST數據，通過應用復雜統計手段精確清點了銀河系外圍恒星的數目，并成功繪制出銀盤外圍的空間結構剖面圖。

國家天文臺研究員劉超說：“我們從圖中可以看出，銀盤的恒星數目雖然在隨著銀盤半徑減少，但并沒有在5萬光年處停下來，而是一直延伸到距離中心6.2萬光年處。這比教科書上一直以來引用的半徑大了約1/4。”

2018年，由西班牙加納利天體物理研究所科研人員和中國國家天文臺科研人員組成的國際研究團隊又進一步利用LAMOST數據和其他相關數據獲取的海量恒星光譜，再次改寫了銀盤尺寸，發現包含銀河系中大多數恒星的盤狀結構可能比天文學家之前認為的大很多，半徑可能達到約10萬光年，銀河系的疆界再次被大大拓展。

劉超說：“這項研究提供了有關銀盤恒星構成的新認識，以及銀河系尺寸更為精確的數據測量。銀河系尺寸的不斷改寫將促使天文學家重新審視星系形成及宇宙演化的一般規律。”

此外，科研人員根據LAMOST數據重新精確計算，改寫銀河系暈的結構特征，確立為內扁外圓的新結構。劉超說：“這一清晰的證據推翻了前人關于恒星暈是一個軸比不變的扁球體的猜測，有助于人類重新理解銀河系恒星暈的形成歷史和演化。”

首次測量了近700顆系外行星的軌道偏心率和傾角，太陽系在宇宙中并不是個特例

此次巡天中，科研人員利用LAMOST首次測量了近700顆系外行星的軌道偏心率和傾角，發現約八成的行星軌道都如同太陽系的近圓形軌道。

國家天文臺研究員趙剛說：“這表明，太陽系在宇宙中并不是一個特例而是具有一定代表性的。在某種程度上增強了我們人類尋找另一個地球和地外生命的信心。”

類星體是銀河系外發光巨大的遙遠天體，它的能源來自于其中心超大質量黑洞吸積周圍物質釋放的巨大引力能，是研究遙遠宇宙的重要探針。

“此次在LAMOST光譜中已發現了1.2萬余顆類星體，它們的平均紅移為1.5，最高紅移為5。”國家天文臺研究員趙永恒說，“此外，根據這些數據還估算出了其中心黑洞質量。這些類星體的發現將對大樣本類星體的統計研究提供重要幫助。”

近鄰主星系樣本是21世紀開始的大規模星系光譜巡天中的經典之作。但由于光纖碰撞效應，該樣本在小尺度上具有較高的不完備性。LAMOST巡天中將這些遺漏的星系作為補充星系樣本進行觀測。

趙永恒說：“由于巡天范圍廣，在一期巡天中獲得了近萬個補充星系的光譜測量，新增證認了近萬個密近星系對。這些密近星系對對研究星系的并合過程具有重要的科學價值。”

科研人員利用LAMOST數據還發現了一類新的太陽系外行星族群——熱海星，它們與熱木星有幾個相同的標志特征，為揭開熱木星和其它短周期行星起源提供了關鍵的線索和嶄新的研究方向。

暗物質占星系總質量的90%以上，但大多數分布很彌散，在太陽所在位置處暗物質所占比例非常低。這就給人類直接探測暗物質帶來了巨大困難。

趙永恒說：“我們利用LAMOST數據對太陽附近的暗物質密度進行了重新估算，這對尋找暗物質粒子、理解暗物質在銀河系中分布具有重要意義。”

此外，利用LAMOST數據，科研人員還精確估算了上百萬顆恒星的年齡，使具有精確年齡的恒星樣本增加了1000倍，為銀河系演化研究提供了基礎數據;同時，測量近6000顆類太陽恒星的磁活動指數，發現太陽具有與超級耀斑恒星相當的磁活動水平，證實太陽有爆發超級耀斑的可能。

發現一顆鋰元素含量約為同類天體3000倍的恒星，將國際上鋰含量觀測極限提高一倍

年老的貧金屬星就像宇宙“化石”一樣記錄了宇宙化學演化的最初歷史，對它們的分析，可以實現對第一代恒星和早期宇宙本質的“恒星考古”。

趙剛說：“我們此次在LAMOST光譜中已發現了萬余顆金屬含量低于太陽百分之一乃至萬分之一的貧金屬星，構建了目前世界上最大的、適合現有大望遠鏡跟蹤觀測的宇宙化石樣本。”

同時，科研人員還發現了一批極其稀有的、鋰元素豐度超過正常值上百倍的小質量貧金屬星。其中，有一顆星的鋰元素含量約是同類天體的3000倍，這是目前人類已知鋰元素豐度最高的恒星。這一重大發現已于北京時間8月7日凌晨在線發表在國際科學期刊《自然·天文》上。

鋰元素是連接宇宙大爆炸、星際物質和恒星的關鍵元素，一直以來它在宇宙和恒星中的演化都是天文領域的重要研究對象，然而當代天文學對鋰元素的理解還有很大的局限。富含鋰元素的巨星十分稀有，但在揭示鋰元素起源和演化上卻具有重要意義。遺憾的是，過去30余年天文學家只發現了極少量的此類天體。

“這顆新發現的富鋰恒星在銀河系中心附近的蛇夫座方向，位于銀河系盤面以北，距離地球約4500光年。經過進一步研究我們發現這顆恒星的鋰元素很可能來自恒星內部的一種特殊的物質交換過程。”國家天文臺閆宏亮博士說，“這一發現改變了人類對天體中鋰元素的認知，將國際上鋰含量觀測極限提高一倍。”

此外，在LAMOST近千萬光譜中，科研人員大海撈針般地發現了5顆超高速星，目前世界上已證認的超高速星僅有20余顆。

趙剛說：“它們為深入研究這類速度很高，最終能夠脫離銀河系引力束縛，‘逃離’銀河系的恒星的形成機制提供了重要的樣本。”

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