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董点科技丨解决困扰科学家50年的难题,LAMOST都发现了什么?

董点科技丨解决困扰科学家50年的难题,LAMOST都发现了什么?

作者:何旧九

类别:穿越小说

状态:连载中

最后更新:2024-06-24 22:08:55

董点科技丨解决困扰科学家50年的难题,LAMOST都发现了什么?读创/深圳商报记者董芳芳记者从中国科学院国家天文台获悉,科研人员基于LAMOST数据发现了2颗高速自转的氮超丰O型星并揭示了这类星的起源,解决了困扰天文学家们近50年的难题
简介: 董点科技丨解决困扰科学家50年的难题,LAMOST都发现了什么?读创/深圳商报记者董芳芳记者从中国科学院国家天文台获悉,科研人员基于LAMOST数据发现了2颗高速自转的氮超丰O型星并揭示了这类星的起源,解决了困扰天文学家们近50年的难题

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正文

董点科技丨解决困扰科学家50年的难题,LAMOST都发现了什么?

读创/深圳商报记者 董芳芳

记者从中国科学院国家天文台获悉,科研人员基于LAMOST数据发现了2颗高速自转的氮超丰O型星并揭示了这类星的起源,解决了困扰天文学家们近50年的难题。

LAMOST是什么?

它还在2019年帮助中国科学家发现了迄今为止质量最大的恒星级黑洞。

它的工程研究集体还获得2019年度中国科学院杰出科技成就奖。

LAMOST,全称为“大天区面积多目标光纤光谱天文望远镜”,也被称为郭守敬望远镜。

LAMOST工程研究集体建成了中国自主创新的、世界上口径最大的大视场望远镜和光谱获取率最高的望远镜,使我国在大视场多目标光纤光谱观测领域处于国际领先地位。

LAMOST都有哪些首创?

☆LAMOST在世界上首创并成功实现主动光学控制镜面曲面连续变化的光学系统,突破了望远镜的大视场不能兼备大口径的瓶颈;

☆成功地发展了一块镜面上同时应用薄变形镜面和拼接镜面的主动光学技术;并在同一个光学系统中应用两块大口径拼接镜面;

☆首次实现分区并行可控的光纤定位技术,将多目标光纤光谱的观测从每次几百个天体提升到几千个天体。

☆LAMOST的研制成功,开辟了国际上大规模光谱巡天的先河,将我国望远镜研制技术推进到国际前沿,实现了跨越式发展。

仅仅从2019年1月至今,中国科学家利用LAMOST数据而获得的大发现就有20余项之多。

我们仅仅列举其中十项,看看LAMOST都发现了什么。

发现两颗氮超丰O型星

据中国科学院国家天文台1月15日发布,国家天文台李广伟副研究员和英国伦敦城市大学Ian D. Howarth教授在LAMOST数据中发现了2颗氮超丰O型星(ON星)并揭示了这类星的起源。该研究工作解决了困扰天文学家们近50年的ON星的起源问题。文章已经在《天体物理学报》发表。

这两颗星分别被称为:LS I +61 28和HDE 236672。LS I +61 28是迄今为止,唯一一颗高速自转的ON矮星;HDE 236672是目前发现的第三颗高速自转的ON亚巨星。从它们对应的LAMOST中分辨率光谱中,我们得到其自转速度分别为298 km/s和253 km/s。

△两颗ON星的HeI 5016线。黑线是LAMOST中分辨率光谱,而红线是模型。

ON星是一种非常稀少的,氮超丰的O型星。这种星的氮丰度往往超过同类星的10倍以上,且无法用单星演化模型解释。自1971年被Nolan Walborn首次发现以来,它的起源一直是个谜。李广伟等人整理了所有的具有视向速度及Gaia视差和自行的ON非超巨星样本(共12颗),发现:

①几乎所有的ON星相对于本地银盘具有很大的运动速度。这说明,它们几乎都起源于双星交互作用。当主星作为超新星爆炸之后,ON星被沿着轨道的切向抛出。

②ON巨星的运动方向几乎与银道面平行;相比之下,矮星和亚巨星的运动方向几乎是随机的,且很多ON矮星和亚巨星在垂直于银道面的方向上有很大的运动分量。

△ON星在本地的相对运动和银道面高度(巨星:II-III; 亚巨星: VI; 矮星:V)

③所有巨星的自转速度非常快,而矮星的自转速度非常慢。LAMOST发现LS I +61 28是目前唯一一颗自转速度非常快的ON矮星。

构建目前最大富锂巨星样本

2019年12月,国家天文台的高琦博士与施建荣研究员、闫宏亮博士等人在LAMOST数据中发现了一万余颗富锂巨星,这是目前最大的富锂巨星样本,其数量远远超过人类所有已知富锂巨星数目的总和。该项成果发表在国际著名天文期刊《天体物理学报增刊》上。

锂元素是宇宙中最重要的轻元素之一,在恒星内部极易被消耗。根据经典恒星演化理论,当恒星经过第一次挖掘演化至红巨星阶段时,锂元素将被大量消耗,锂丰度将低于1.5 dex。然而,1982年第一颗富锂巨星的发现引起恒星物理领域的轰动,对经典的恒星演化理论提出严重挑战。为解决此难题,天文学家在观测和理论两方面都做了很大努力。但由于富锂巨星是稀有天体,仅占总巨星的百分之一左右,已找到的富锂巨星极为稀缺,因而难以限定其性质特征,导致理论上难以取得突破。因此,发现更多的富锂巨星成为解决该难题的关键。

利用该样本可很好地确定富锂巨星的性质,为理论模型提供可靠的观测依据。这将对富锂巨星的研究产生深远的影响,也将加深人类对恒星演化过程及恒星内部结构的认识。

△新样本的赫罗图,彩色为富锂巨星,灰色背景为巨星。

构建迄今最大的双星星表

2019年12月,云南天文台双星与变星研究团组张嘉博士等人利用我国LAMOST光谱巡天数据和美国Kepler测光巡天数据,给出了目前为止最大的具有丰富参数的双星物理参量星表,获得了1320颗双星的物理参数,为理解银河系内双星的整体性质,探讨双星的起源和演化提供了重要的观测基础。近期,该项研究成果发表在国际著名天文期刊《天体物理学报增刊》上。

研究人员把LAMOST光谱巡天和Kepler测光巡天的优势有机结合起来,得到了1320颗双星的质量、半径、年龄、轨道周期等参数。虽然目前人们至少已经观测发现了10万颗以上的双星,但却很少获得双星的参数分布。原因在于数量众多的非掩食双星很难被观测发现。幸运的是,本项研究的参数来源高度一致且较为丰富,这使得选择效应的改正成为可能,由此得到了真实的双星参数分布。

基于高度统一和丰富的物理参数,研究人员得到了双星的质量、年龄和轨道椭率等参数的分布。同时,还研究了不同类型双星的分布差异,获得了一系列新的结果。比如,不同类型双星在年龄分布上的差别,支持了大量的物质转移曾经普遍存在于相接或半接双星的形成过程中。另外,科研人员首次获得了分离双星轨道椭率的分布,并惊奇地发现在分离双星椭率非常接近1的区域,分布突然上升。这是一个十分出乎意料的结果,值得进一步的观测研究。

△分离双星的椭率分布。

研究致密星系群

现代的标准冷暗物质宇宙学认为,宇宙的结构是等级成团式的——星系与星系之间在引力作用下慢慢聚集起来,逐渐形成更大尺度的结构。因此,在我们的宇宙中,星系与星系之间成群结队是十分常见的。我们的银河系就位于一个被称为本星系群的星系群中。

由于宇宙非常空旷,在一般的星系群之中,成员星系之间的距离远大于星系自身的尺度。然而有一类星系群却非常特殊,它们的成员星系紧密地靠在一起,这样的星系群被称作致密星系群。历史上最先确认的致密星系群是著名的斯蒂芬五重奏。在致密星系群中,成员星系将通过引力不断将对方“撕扯”,在一通复杂而华丽的群(魔乱)舞之后,最终合并形成为一个巨大的椭圆星系。

△著名的致密星系群——斯蒂芬五重奏的图像。除了最下方的NGC 7320是无关的前景星系外,该星系群由中间的三个星系(NGC 7319,NGC 7318A,NGC 7318B)和左上角的NGC 7320C及右下角的NGC 7317共同构成。

致密星系群中星系之间存在复杂的相互作用过程,是研究星系并合和演化的理想场所。致密星系群是星系演化过程中所处的一种特殊而短暂的状态。对应于这种短暂转态,致密星系群在观测中并不是非常常见。另外一方面,建立致密星系群的完备样本,并研究其随着时间的演化对理解星系的成长具有十分重要的意义。

2019年12月,上海天文台博士研究生郑云亮在导师沈世银的指导下,基于斯隆数字巡天计划(SDSS)和郭守敬望远镜(LAMOST)巡天数据建立了目前为止最大的致密星系群样本。该工作已经被《天体物理学研究增刊》正式接收。

在我国主导的郭守敬望远镜巡天中,有一个重要的观测样本就是对斯隆数字巡天中由于光纤碰撞而没有光谱观测的星系样本进行补充观测。因此,结合斯隆数字巡天和郭守敬望远镜巡天的观测数据可以最大程度上发挥光谱观测数据的效率,并开展致密星系群相关的研究工作。

△一个典型的结合斯隆数字巡天和郭守敬望远镜巡天数据证认的致密星系群。其中白色圈出来的星系是由斯隆数字巡天提供的光谱观测,红色圈出来的星系光谱则是由郭守敬望远镜巡天提供。

该样本包含6100多个致密星系群,19000多个成员星系。对于该致密星系群样本而言,有超过1200个成员星系的光谱由郭守敬望远镜巡天的补充样本提供,使得1100多个致密星系群的样本得以完备。

构建最大的M型星增值星表

2019年10月,上海天文台副研究员钟靖和LAMOST特聘青年研究员、西华师范大学李静博士,上海天文台陈力研究员、侯金良研究员,与美国LSST项目及智利大学研究团队合作,利用LAMOST DR5发布的900多万光谱数据,筛选得到了一个目前世界上最大的M型星增值星表,为进一步利用M型星开展银河系以及恒星形成和演化研究提供了重要数据支持。该项研究成果发表在国际著名天文期刊《天体物理学报增刊》上。

M型星是表面温度小于4000K的一类低温恒星,根据光度和表面重力的不同又分为M巨星和M矮星两种恒星类型,它们各自具有不同的物理性质和研究价值。研究人员还对M巨星样本的三维位置、速度和金属丰度进行了分析求解,结果显示M巨星样本中有超过5000颗晕族恒星,为进一步利用该星族样本研究晕结构和矮星系吸积历史奠定了基础。

△M巨星样本的三维空间和速度分布。

验证热亚矮星形成理论

2019年8月,西华师范大学罗杨平副研究员与捷克皇家天文研究所Peter Nemeth博士、国家天文台邓李才研究员、云南天文台韩占文院士合作,利用LAMOST DR5数据,给出了目前最大的热亚矮星大气参数星表,并结合Gaia DR2数据首次给出了四组不同氦成分热亚矮星在银河系薄盘、厚盘、晕的分布,该分布与韩占文等提出的热亚矮星形成理论预言一致。该研究成果在国际著名天文期刊《天体物理学报》上发表。

热亚矮星是一种中心氦核燃烧的,并且表面覆盖了一层非常薄的氢包层的特殊天体。通常质量大约为半个太阳质量,在赫罗图中位于上半主序与白矮星序之间,光谱型为O、B型,但光度比正常O、B型主序星暗,所以被称为热亚矮星。 然而在球状星团中热亚矮星被统称为极端水平分支星,由于它们表面拥有的氢包层非常薄,以至于不能像正常水平分支星那样,可以经过AGB阶段和行星状星云阶段后直接演化成白矮星。因此,作为一种特殊有趣的天体,热亚矮星有着重要的研究意义。

热亚矮星的研究极大地丰富了广泛的天体物理研究领域,其研究范围涉及双星演化、星震学、系外行星、星系演化、膨胀宇宙学中Ia型超新星前身星、引力波源研究等,并在这些领域中扮演着一个非常关键的角色。 但是它们的形成机制并没有得到很好地解决,其中最大的困难是怎样在红巨星阶段几乎损失了整个包层。早在2002年,韩占文等提出了稳定渃浠瓣物质交流、公共包层抛射、双氦白矮星并合三种热亚矮星形成通道。通过大量数据分析,罗杨平等人首次给出了四组不同氦丰度热亚矮星在银河系薄盘、厚盘、晕的分布。

△四组氦丰度热亚矮星在银河系薄盘、厚盘、晕的分布。

发现40余组银河系晕子结构

2019年8月,国家天文台杨成群博士生、薛香香研究员,西华师范大学李静博士,以及国家天文台张岚博士,刘超研究员,赵刚研究员等,利用LAMOST DR5中K巨星的三维位置和三维速度,在银河晕中找到40余组子结构,包含近2000颗恒星。其中包括大量的人马座星流、麒麟座星环、室女座致密区、孤儿星流等银晕中已知子结构和其他未知子结构的成员星,并第一次给出了银河系晕中大样本子结构的六维参数信息。这些信息更加精确地展现出银河系现在的结构以及其过去的吸积历史。该项研究成果已经发表在国际知名天文期刊《天体物理学报》上。

标准宇宙学冷暗物质模型(ΛCDM)认为银河系这类较大尺度的星系是由小的星系并合或吸积产生。因此如果能够找到发生星系并合或吸积的证据,就可以很好地支持这一理论。通常星系在发生吸积并合时,会在其周围的空间(晕)中留下原星系的残骸。例如:星流(stream),致密区(overdensity),壳层(shell)等子结构(substructure)。

为了寻找这些子结构,研究人员利用LAMOST DR5中K巨星的空间位置和视向速度,再结合匹配自Gaia DR2的切向速度信息,得到13,000余颗具有完整六维相空间信息的晕星星表,同时这也是目前能够得到的拥有完整六维信息的最大银河系晕星星表。

△晕星样本的三维位置和三维速度分布。

研究人员在对样本中具有相似速度和位置的恒星进行归类和分组后,在13,000颗晕星样本中找到了40余组,近2,000颗晕星是属于子结构的,这些恒星具有明显区别于本地晕星的成团性(位置和速度空间)。此外,还找到了18组,300余颗很可能是首次被发现的新的子结构。

△晕中子结构的空间分布(X-Z平面),不同的颜色和形状表示不同的组。

首次精确测量人马座星流三维轨道空间分布

2019年5月,中科院天文大科学研究中心特聘青年研究员、上海天文台博士后李静,国家天文台研究员刘超,薛香香,上海天文台副研究员钟靖、美国伦斯勒理工学院Jake Weiss博士等合作利用LAMOST DR4数据中探测到的M巨星结合Gaia DR2精确的自行,第一次描绘出了人马座星流精确的三维空间轨道分布,该项研究成果已经发表在国际知名天文期刊《天体物理学报》上。

M巨星位于红巨星的顶端,是一类最明亮的恒星。它们在恒星的生命演化轨迹中接近尾声,已经耗尽了恒星内部的大部分氢。M巨星外部由一个巨大的氢包层构成,半径甚至可以达到一个天文单位(约215太阳半径)。巨大的半径使得它们具有很高的光度,即使在很远的距离也很容易被探测到。所以M巨星是我们研究银河系外晕性质和结构的强有力工具。

在过去的研究中,大量的测光巡天数据都探测到了该星流的成员星。但是速度信息缺少大样本数据的支持。LAMOST提供了海量数据的视向速度信息。通过模板匹配的方法,李静等人从LAMOST DR4中挑选出了大约3万M巨星样本,并用它们对人马座星流进行了研究。通过与Gaia DR2精确自行数据的结合,第一次在三维空间描绘了人马座星流的空间轨道分布,在距离太阳100kpc远的距离追踪到该星流。并且第一次在能量角动量空间对该星流进行了分析,展示了星流导臂和曳臂能量角动量的差异。

人马座星流是人马座矮星系受到银河系强大的潮汐作用力瓦解而留下的痕迹。由于这次潮汐瓦解事件是最近几十亿年刚刚发生的,因此它的结构在空间中异常显著,就像一条炫舞九天的赤焰飞龙,由南向北跨过整个银河系。获得人马座星流详细的三位空间轨道分布,能够帮助我们有效的还原银河系和矮星吸积并合历史,对银河系的引力势和恒星形成历史能给出强有力的约束,是完善银河系形成和演化模型的关键之一。

△图为在X-Z空间人马座星流成员星轨道走势。

证认2791颗M型亚矮星

2019年3月,国家天文台张硕、罗阿理、王瑞等人与国外天文学家Georges Comte等合作,利用LAMOST海量恒星光谱数据,修改了小质量亚矮星的分类标准,并在LAMOST DR4中证认了2791颗M型亚矮星。该项研究成果发表在国际天文期刊《天体物理学报增刊》上。

M型亚矮星是小质量、低光度的恒星,其演化过程缓慢,在太阳近邻十分稀有,从运动学上可以判定其属于厚盘和晕族星。根据光谱特征可以得知,亚矮星的金属丰度低于普通的主序星,并且范围跨度很大,部分极冷和极贫的亚矮星可接近氢燃烧极限,因此研究亚矮星的增丰史并与其运动学相结合,能够为恒星演化过程乃至银河系的演化史提供重要信息。由于亚矮星的光度很低,现有的光谱证认亚矮星样本十分稀少,并且大多来自针对厚盘和晕的巡天数据。

LAMOST光谱巡天为海量的小质量星提供了光学光谱,并包含大量低银纬尤其是反银心方向的数据,对于研究亚矮星的空间分布、运动学信息与恒星参数十分关键。

这个大样本的证认可以为研究不同类型亚矮星光谱变化背后的物理机制提供有力的支持;同时与GAIA DR2数据相结合,可以为迄今为止统计数据匮乏的星族提供很有价值的运动学信息。

△LAMOST亚矮星在银道坐标系的分布。

发布类星体巡天星表

2019年2月,北京大学吴学兵教授领导的团队发布了最新的LAMOST类星体巡天星表,并发表在国际知名天文期刊《天体物理学报增刊》上。论文第一作者为北京大学博士后姚苏。这是吴学兵团队第三次发布LAMOST类星体巡天星表数据,此次发布的星表共包含了LAMOST在2015年9月至2017年6月期间观测的19253个类星体光谱数据,其中11458个类星体是由LAMOST独立发现,8162个类星体是被LAMOST首次发现的。该团队还对观测到的类星体光谱进行了数据分析,估算了这些类星体中心超大黑洞的质量。

目前的天文观测发现绝大多数星系的中心都普遍存在着超大质量黑洞,这些黑洞的质量从几十万到上百亿个太阳质量。当这些星系中心黑洞的周围有丰富气体时,气体会被黑洞的强引力所吸引,形成围绕黑洞的吸积盘并最终被黑洞吞噬。在此过程中,气体的部分引力势能被转化为强大的电磁辐射能量释放出来,这样的星系中心被称为活动星系核。

类星体是光度最高、释放能量最强的一类活动星系核,它们的光度可以高达普通星系光度的数万倍,是宇宙中最明亮的持续发光天体。类星体释放的巨大辐射,不仅使它能帮助我们探索遥远宇宙,同时也影响着它自身所在星系以及周围环境,是研究星系和宇宙环境在不同时期演变情况的重要探针。

自从第一颗类星体3C 273于1963年被人类发现以来,天文学家们努力发现更多类星体的研究一直没有停止过。近年来随着大型巡天项目的启动,越来越多的类星体被发现。

LAMOST类星体巡天项目从2012年正式开始,到目前已经释放了五年观测数据。共计证认了42552个类星体,其中距离最远的类星体红移为4.8。这些类星体中,有24764个是LAMOST独立发现的,17128个是被LAMOST首次发现。

这些结果使得LAMOST类星体巡天成为目前世界上发现类星体数目第二多的巡天项目,仅次于美国斯隆数字巡天(SDSS)。

LAMOST类星体巡天项目不仅增加了已知类星体的数目,而且还为研究类星体光谱变化、发现特殊类星体等研究工作提供了丰富的光谱数据。随着LAMOST二期光谱巡天的继续进行,预计LAMOST在将来还会发现更多的类星体,为利用遥远类星体来研究宇宙演化作出更大贡献。

△哈勃太空望远镜所拍摄的类星体3C 273,它同时也是人类认证的第一个类星体。(图片来源ESA/Hubble & NASA)

△类星体中心超大质量黑洞吸积盘的示意图。(图片来源:ESO/M. Kornmesser)

△2019年2月发布的LAMOST类星体(蓝色)以及2012年至2017年期间LAMOST观测的所有类星体(黑色)的光度和红移范围分布图 (Yao et al. 2019)。

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