【原】LAMOST巡天，發現逃離黑洞的星星

趙永恒：中國科學院國家天文臺研究員，國家重大科學工程LAMOST項目負責人

今年五月份，美國猶他大學發表了一個天文的新發現——一個離地球最近的超高速星。這條新聞公布以后，美國的很多科技網站都進行轉播，引起了不小的影響，中國國內一些新聞媒體也進行了轉載，在5月份新聞報道非常多。這個超高速星就是我今天要講的逃離黑洞的星星。

天文學應該說是比較古老，而又非?，F代的一門科學，它主要是通過觀測，利用各種觀測工具來研究宇宙的奧秘，比如說天體的類型、天體的結構、天體的形成和演化、天體運動等，都是我們天文學要研究的課題。

中國古代天文學非常發達的，也取得了非常輝煌成就。過去說我們中國天文學應該在春秋戰國時期已經是非常輝煌了，距今兩千五百年到兩千七百年的樣子。但是最近十來年，我們通過考古就發現，中國的天文學起源要遠遠早于這個時間。

在山西臨汾襄汾縣的陶寺遺址里邊發現了一個古觀測臺，這個古觀象臺利用日出的方位來定新年哪一天開始，就比如我們元旦或者春節哪一天開始，定季節，甚至還有節氣，大概他那時定了20個節氣，現在我們是24節氣。

那么這個時代是什么時候？這個時代是四千多年前，差不多將近四千一百年，也就是比我們后來說的夏商周朝還要早！因為夏商周開始就是（距今）四千年，大家猜測是堯時代的古觀測臺。這個古觀象臺除了看太陽以外，還研究月亮的運動規律。所以這個應該是世界上最古老的一個天文臺的遺址，這就說明我們古代天文學起源的非常早，之后也有非常輝煌的成就。

到了距今四百年的時候，伽利略發明了望遠鏡?？茖W家都把望遠鏡的發明作為現代天文學的開端，也就是說四千年前是古代天文學，四百年往后這就是現代天文學了。作為天文學來說，這個工具非常重要，像這個望遠鏡，像伽利略這個望遠鏡它是一個折射望遠鏡，科普望遠鏡大概都是由這種折射望遠鏡來構成的，折射望遠鏡就是由透鏡構成的。折射望遠鏡發展下來以后由于透鏡的制造工藝還有材料的限制，最大的望遠鏡口徑只能做到一米。

現在用的更多望遠鏡是牛頓發明的，叫反射望遠鏡，就跟我們鏡子一樣是反射的，但是它用拋物面來作為反射鏡，這個望遠鏡發展很快，他發明以后不久，英國的赫歇耳——就是發現天王星的人——就把它做成1米8。到了60年前，美國人把它做到了5米望遠鏡，后來蘇聯還做過6米口徑的望遠鏡。再到90年代的時候，美國開始做到10米級的望遠鏡，就是直徑越來越大，歐洲做到8米?，F在全世界大概有十幾架8到10米的光學望遠鏡。

當然，四百年發展下來，除了在地面上做的望遠鏡，也有一些望遠鏡放在了空間，大家可能最知道的就是哈勃空間望遠鏡，也是光學望遠鏡，兩米四放在了空間。還有開普勒望遠鏡，用來探測其他的太陽系的，這些都是光學望遠鏡。實際上還有一些無線電望遠鏡，叫射電望遠鏡，就是用來探測無線電波做的。還有更高能望遠鏡，X射線望遠鏡，伽馬射線望遠鏡……都放在天上來做的。我們天文學現在都是用這些工具來進行觀測研究，所以我們一般把天文學叫做觀測的科學，當然它背后需要很多的理論來進行研究和分析

因為宇宙非常龐大，非常遙遠，所以我們每一個望遠鏡觀測的方式是不一樣的，現在望遠鏡越做越大，剛才我們說了從5米的現在做到8到10米，那么下一代可能還要繼續考慮更大的望遠鏡。把望遠鏡做大以后，它的聚光非常強，能收集更多的光子，能看到更暗弱的天體，一般說暗的天體就是更遠的天體。同時望遠鏡越大看的細節就越清楚，一個看得更遠，一個看的更清楚，大家都在隨著技術發展不停地做各種各樣大型的望遠鏡。

但是這些大型望遠鏡它有一個問題——望遠鏡做大以后我們叫視場，視場就比較小，所以就是看的區域偏小。如果大家用相機的話，你用長焦把鏡頭拉長，看到的范圍越來越小，所以說這是一個問題，我們想看得更深更遠，也希望看得更廣，這兩個是個矛盾的。那么，如何把望遠鏡做得很大，但是同時又把視角做得也很大，這就需要創新。我們中國人自己在這方面的創新，叫做LAMOST。

LAMOST最早是由兩位院士在1992年提出的，這個望遠鏡的好處就是既能做的口徑大，同時它的視場也很大，這是我們一大特點。2008年在國家天文臺的興隆觀測站正式落成。

它是由兩面鏡子來構成的成像系統，中間是放焦面。能夠把天上的星星拍照片，可以拍光譜。

我們這個望遠鏡可以說是世界上口徑最大的大視場望遠鏡，這個鏡面是一個差不多5米大小的鏡面，旁邊有個人做對比，可以看到這個大小（下圖），這是世界上最復雜的鏡面，它各種運動、各種變形、各種控制做得非常精密。靠這個創新我們才做到了大視場兼備大口徑這個特點。它的視場是多大呢？在天文觀測大概0.5度，半度的大小，就是月亮的大小。它的最大視場，LAMOST能做到直徑上可以拍10個月亮。

在焦面上呢，如果說你有了望遠鏡，成像就成在焦面上，一般我們就可以放那兒拍照片，或者用CCD拍成像。但是LAMOST比較特殊，它放了很多的光纖，放了4000根光纖，讓4000根光纖用電機帶著它去對上四千顆星去，這樣再把星光傳到光譜儀拍光譜，所以我們把它叫做光譜巡天望遠鏡，是拍光譜用的。

那么在國際上，之前的美國人用了640根光纖，說它一次可以拍六百多個天體，我們現在是四千根光纖，就一下子可以拍四千個天體，我比它多了六倍！所以拍光譜的速度或者效率是非常高的，所以我們把LAMOST叫做世界上光譜獲取率最高的望遠鏡。

為什么要拍天體光譜？其實光譜也非常簡單，光譜就是把白光變成七色光，像彩虹那樣的。這個也牛頓最早發現的，后來天文學家就去前面卡一狹縫，一卡一狹縫以后就可以看到各種譜線。

拍了光譜以后，天體上有什么化學元素，比如上面有氫氧碳這些我們都能知道。然后我們能知道天體物理條件，比如溫度有多高，像太陽是五千度，星星有多亮，密度有多大，壓力有多少，這些都可以做。

另外，我們可以測速度，可以看譜線在里面移動，看紅移和藍移，就可以知道天體的移動速度。特別是對遙遠天體，拍光譜我們可以知道距離。有了距離以后就可以知道天體在宇宙的哪兒了。

有了LAMOST這么強有力的一個設備——剛才說國際是第一的——我們就在里邊發現了超高速星。超高速星的含義就是說它的速度跑得非?？?，能夠逃出銀河系。我們銀河系里邊總共有上千億個恒，這些星都繞著銀河系中心轉，變成一個盤子，像是鐵餅一樣的盤子這樣轉。然后從盤子的這一頭到那一頭距離是十萬光年。也就是光傳一次要走十萬年，我們太陽系在這個盤的（半徑）一半的地方，離銀河系中心是 2.6萬光年。也就是光從太陽送到銀河系中心需要2.6萬年。銀河系大部分星都是繞著轉，但是會發現少數星，它這個速度很高，比別的恒星速度要高出兩三倍來。那么這顆星的速度達到多高呢？每小時230萬公里的速度。也就是說，一分多鐘就能夠繞地球跑一圈。所以說它的速度非?？?，速度比一般恒星要快的多。所以這樣我們就知道它是速度很奇特的一個天體。

這種天體在近十年發現以后，大概全世界總共發現了20顆，我們LAMOST發現了第一顆，這是超高速星。然后有了光譜還能測出距離來，這樣我們知道這顆星在銀河系里的位置，也知道它跑的速度，按照牛頓萬有引力定律我們可以反推，推出從哪跑出來的，這樣一推導指到銀河中心去了，銀河系中心我們天文學家都認為有個超大質量黑洞，別的星都速度很低在繞，這么大一個速度，肯定跟銀河系的黑洞有關系，所以我們大家把它叫做逃離黑洞的星星。

對于黑洞來說，由于引力足夠強，光都逃不出去，因為物質里邊跑的最快的是光，就是說它的逃逸速度要大于光速才可能跑出去，所以說連光都逃不出來，所以在天文上根本看不到黑洞。

那么怎么去發現黑洞？經過十來年，天文學家就觀測銀河系中心，看它周邊的星，這樣一圈圈地轉。通過這些觀測，算出軌道以后，最后可以測量出來中心的質量是四百萬倍太陽質量，也就是這個黑洞非常大。然后這些星繞著這兒一點點的轉。

黑洞是恒星死亡產生的，比如說我們太陽死亡的時候形成白矮星，也就把現在七十萬公里半徑的太陽壓縮到地球那么大。這就是白矮星，這就是一種死亡的恒星。如果更大質量的恒星死亡就變成中子星，也就壓到10公里，然后如果更大質量的恒星，十二個太陽質量以上的恒星，就最后死亡變成黑洞了，那就只有3公里，這是我們恒星級的黑洞。但是在星系中心里邊，一般在星系形成的時候，像銀河系形成的時候，中間也有一個大黑洞，那么這個黑洞我們叫超大質量黑洞。

在銀河系的恒星里邊，還有將近一半的恒星都是雙星組成的，一般像我們太陽是個單星，還有雙星組成的。如果雙星落到黑洞里就是比較復雜的一種情況，這種叫三體問題。像一顆星繞黑洞轉是一個兩體問題。兩體是圓軌道或者橢圓軌道，非常周期性的，一點沒有問題。但是如果兩個雙星轉得很好，到了黑洞這兒呢它就被黑洞擾了變成三體，這就會變得非常復雜的問題。有本科幻小說叫作《三體》，三體以后的規律就非常復雜，那么如果這兩個恒星靠黑洞過于近了，其中一顆被吞吃掉了，就是相當于把這對伙伴解散了。一個吃掉了，另一顆就會很高的速度彈出去，這時候超高速星就會出來。所以，目前天文學家認為，超高速星就是因為雙星跟黑洞的相互作用，黑洞吞吃了一顆恒星，另一顆恒星就以很高的速度彈出來了，這就是超高速星的特點。

這種概率并不是很大，因為它必須雙星運動到黑洞附近才有可能被它吞噬掉，天文學家算了以后發現，大概十萬年會彈出一顆來。現在總共發現了二十顆，我們LAMOST發現了這一顆。通過這些，我們對中心黑洞的性質做了研究，還有沿途它走的軌道，我們都可以做了一些研究。

我們要把全天的星星做一遍普查。LAMOST方式就是守株待兔，等著星星轉過來我們就拍。這樣慢慢地拍，這樣一片一片過去了。有點就像坐地日行八萬里，巡天遙看一千河。這樣繼續去看它。

我們2011年開始做的先導巡天，拍了四百個天區，做了70萬個天體的光譜。然后第二年我們做了加起來170萬，到了今年5月份我們就已經做到了300萬，這個數目已經比LAMOST之外的全世界其他所有望遠鏡做的光譜率數的總和還要多，所以我們現在獲得世界最大的天體光譜數據庫。

有了這些數據庫以后，我們天文學家就可以做一些研究，包括我們現在國內一些天文學家，和國際天文學家合作在做。我們最開始講美國的猶他大學的發現，實際是中美雙邊合作研究，共同發現的，用的我們LAMOST光譜巡天做下來的光譜數據庫，他們去做的發現?，F在這種合作研究越來越多。

有了像LAMOST這樣強有力的創新的天文設備，然后經過幾年的巡天，獲取了大量的數據，供天文學家研究。這樣會大大推動整個天文學的發展，我也相信中國的天文學應該像古代天文學一樣，再創輝煌。

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