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工作人员在中国科学院国家天文台兴隆观测基地介绍郭守敬望远镜观测计划显示系统。 新华社发
□记者 张怀琛
在兴隆县境内，一座巨大的白色建筑斜架在燕山主峰南麓，指向天空。每当夜幕降临，隐藏其中的一双“慧眼”便徐徐张开，将“视线”扫过茫茫星河。它就是国家重大科技基础设施——郭守敬望远镜（LAMOST）。
近日，中国科学院国家天文台宣布，由其管理和运行的郭守敬望远镜已圆满完成一期光谱巡天观测。曾遭遇挫折的郭守敬望远镜如何“转向重生”？其带来的新发现将如何改写人类对宇宙的认知？进一步拓宽光学望远镜“眼界”，我国又有何具体计划？
改行“星口普查”，发布百万条光谱数据
“郭守敬祖籍邢台，是我国元代著名的天文学家、数学家和水利工程专家。”河北师范大学物理科学与信息工程学院天体物理学教授崔文元说，在其最具代表性的简仪（一种测量天体位置的仪器）等天文仪器研制中，由他发明的滚动轴承比达⋅芬奇设计的滚筒轴承早了200多年，赤道装置的设计也比丹麦天文学家第谷⋅布拉赫制造的同类观测仪早了300多年。
因此，有西方学者曾评价说，“就应用赤道装置来说，郭守敬称得上是这方面的先驱。”
所以不难想象，700多年后，当我国将一架大天区面积多目标光纤光谱天文望远镜命名为“郭守敬”时，国内众多实测和理论天文学家对它寄予了怎样的厚望。
按照最初设定，LAMOST的使命是大规模天文光谱巡天，包括银河系巡天和河外巡天。借此，科学家将获得大视场、大样本信息，从而探究第一代恒星演化、银河系形成、暗物质与暗能量分布及宇宙大尺度结构等。直到2009年，其首要目标仍是“包括北、南银冠区各250万个星系的巡天，150万个亮红星系巡天和约100万个类星体的观测”。
“然而到了2012年前后，测试观测和先导巡天的结果彻底打碎了天文学家们的梦，热切的希望被残酷的现实浇灭。”崔文元说。因为极限星等只能达到约18等，远低于计划的20.5等，探测极限仅仅为计划的1/10。由于河外天体大多很暗，这样的探测能力根本无法对其开展有效观测。
在崔文元看来，LAMOST遭遇挫折的原因可能是多方面的，“但不管是望远镜的设计问题，还是安装没有达到原定指标，抑或台址不符合预想的气象条件，在寻找原因进行科学解释的同时，科学家们将更多精力投向了如何救‘活’这个大家伙，为它寻找一份‘新工作’。”
最终，在国内外专家的不懈努力下，LAMOST蜕变成了一台脚踏实地、给银河系做“星口普查”的望远镜。按照它的观测能力，北半球天空有一亿颗左右的恒星可供观测，而其中，99.99%都没有光谱数据。
“巧合的是，进入21世纪以来，银河系研究掀起了一个全球性的高潮，如果能干好，这仍是一项世界级的工作。”崔文元说。
这一次，“重生”后的LAMOST果然不负众望。
来自中国科学院国家天文台最新消息称，LAMOST一期巡天从2012年9月至2017年6月，共发布光谱901万条(每条光谱对应一个天体)，其中高质量光谱（信噪比大于10）777万条，确定534万组恒星光谱参数。LAMOST发布的光谱数是世界上其他巡天项目发布光谱数总和的1.8倍。一期巡天数据集已于2017年12月31日对国内天文学家和国际合作者发布。
“如今，LAMOST所取得的观测结果不仅填补了中国大型天文基础数据的空白，还为科学家们了解宇宙打开了一扇新窗口。”崔文元说，应用LAMOST的海量数据，再结合其他手段的精细观测，科学家们已经取得了一系列成果。
众多专家也认为，在整个2010年代，甚至到2020年代前半段，LAMOST银河系巡天产出的数据都将是全球银河系研究独一无二的财富。
练就“好眼力”，银河系巡天看得又多又远
尽管一期巡天只有5年，LAMOST却取得了一批重大成果。那么，这个大科学装置究竟有哪些特点？又在巡天观测中有哪些过人之处呢？
“LAMOST的独特设计在于，它集成了各类望远镜的优势，即施密特式的‘大视场’、反射改正镜的‘大口径’、中星仪式设计既节省经费又不失‘巡天’功能，实现了光、机、电、自动控制一体化。”崔文元说，大视场就像照相机广角，可以一次看很多、拍很广的视野；大口径就指它得到的光能量比较多，可以看到更深远的暗弱天体。
专家介绍，LAMOST创新采用了分区并行可控的光纤定位技术，在1.75米的焦面上放置4000根光纤，配有16台光谱仪和32台CCD相机，使其成为目前世界上光谱获取率最高的望远镜。
有了这样的“好眼力”，LAMOST成了银河系的“画师”、了解恒星的“分析仪”、搜寻奇异天体的“捕手”，以及研究遥远宇宙的“探针”。
“过去，天文学家普遍认为银河系的半径为5万光年。LAMOST一期巡天期间两次刷新了这个数据，先是2017年发现银河系半径增大了25%，变为6.2万光年；紧接着，2018年又将银河系半径增大到了10万光年。”崔文元说。利用LAMOST的观测数据，科学家们还改写了银河系晕的结构特征，认为其是内扁外圆的新结构，推翻了此前提出的一个轴比不变的扁球体猜测。
不仅如此，LAMOST还精确估算了上百万颗恒星的年龄，使具有精确年龄的恒星样本增加了1000倍，为银河系演化研究提供了基础数据。
“比如贫金属星、超高速星、白矮星等，这些‘奇异天体’中留存着大量宇宙演化的重要信息，能帮助我们更好地了解其进程和规律。”崔文元说。此前，他与别人合作从LAMOST观测的银行系恒星光谱库中挑选出894颗统一的、高纯度的碳星样本，构成了目前国际上最大的一个高纯度碳星样本星表，并被国际上著名的斯隆四期巡天项目用作基础输入星表。
在他看来，建立这样一个统一的、高纯度的碳星样本星表，有利于更加精确地判断碳星在银河系的构成比例，从而完善银河系构成理论，同时，以银河系为模板，进一步准确研究河外星系的构成情况。
既然LAMOST能够找到这些“奇异天体”，那么，它能解开“银河系中是否还有我们的同类”的谜题吗？
专家介绍，在一期巡天中，LAMOST首次测量了近700颗太阳系外行星的轨道偏心率和倾角，发现约八成的行星轨道都如同太阳系的近圆形轨道。
“这表明，太阳系在宇宙中并不是一个特例，而是具有一定代表性的。在某种程度上增强了人类寻找另一个地球和地外生命的信心。”崔文元说。
迎来“新搭档”，我国将建12米级口径光学望远镜
从大视场光学望远镜LAMOST，到世界最大射电望远镜FAST，再到被誉为“地球之眼”的平方公里阵列射电望远镜SKA……一项项大型科学装置的出现，让中国人仰视星空的“眸光”更加闪亮。
尽管已经拥有了口径世界第一的射电望远镜，但盘点光学望远镜“家底”，我国距国际先进水平仍有较大差距。
“LAMOST是光谱巡天望远镜，不具备成像观测能力。目前，国内具备成像观测能力的通用型望远镜，最大口径仍然只有2米级，而国际上8米至10米级的望远镜已经有13架了。”崔文元说。
据专家介绍，目前我国已有、在建和“十二五”规划的大型光学望远镜均是巡天型望远镜。除了LAMOST，我国还计划于2022年发射口径为2米的中国空间站巡天望远镜，中国南极昆仑站也将建造一台口径2.5米的巡天望远镜。这些巡天望远镜都需要大口径的精测型望远镜相配合。
2016年年底，我国发布《国家重大科技基础设施建设“十三五”规划》（以下简称《规划》），其中，大型光学红外望远镜被列入优先启动的10个项目。
依据《规划》，一架具备多目标、暗天体高分辨成像和光谱观测能力的12米级口径光学红外望远镜，已被提上了建设日程。这意味着，不同于LAMOST这样的巡天望远镜，这架12米级口径光学红外望远镜将是一台通用型望远镜。
“巡天望远镜是粗略而广泛地去观测，虽然精度不高，却可以比较高效地对大量天体进行‘普查’。”崔文元说，而通用型望远镜分辨率和灵敏度都比较高，用巡天望远镜看到高价值目标，再用通用型望远镜进行有针对性的深度观测，两者搭配、事半功倍。
“12米级口径光学望远镜建成后，可使我国光学极限探测能力处于国际领先行列，大幅提升天文观测重大发现的综合能力，同时为相关领域的前沿研究提供重要支撑，带动我国先进光学技术的创新发展。”崔文元说。