LAMOST巡天，发现逃离黑洞的星星
赵永恒：中国科学院国家天文台研究员，国家重大科学工程LAMOST项目负责人
赵永恒和他的团队建设了目前世界上口径最大的、光谱获取率最高的天文望远镜LAMOST，通过这个望远镜的巡天，天文学家们在银河系中发现了一颗运行速度极快的星星，正在摆脱黑洞的束缚逃离银河系。
今年五月份，美国犹他大学发表了一个天文的新发现——一个离地球最近的超高速星。这条新闻公布以后，美国的很多科技网站都进行转播，引起了不小的影响，中国国内一些新闻媒体也进行了转载，在5月份新闻报道非常多。这个超高速星就是我今天要讲的逃离黑洞的星星。
天文学应该说是比较古老，而又非常现代的一门科学，它主要是通过观测，利用各种观测工具来研究宇宙的奥秘，比如说天体的类型、天体的结构、天体的形成和演化、天体运动等，都是我们天文学要研究的课题。
中国古代天文学非常发达的，也取得了非常辉煌成就。过去说我们中国天文学应该在春秋战国时期已经是非常辉煌了，距今两千五百年到两千七百年的样子。但是最近十来年，我们通过考古就发现，中国的天文学起源要远远早于这个时间。
在山西临汾襄汾县的陶寺遗址里边发现了一个古观测台，这个古观象台利用日出的方位来定新年哪一天开始，就比如我们元旦或者春节哪一天开始，定季节，甚至还有节气，大概他那时定了20个节气，现在我们是24节气。
那么这个时代是什么时候？这个时代是四千多年前，差不多将近四千一百年，也就是比我们后来说的夏商周朝还要早！因为夏商周开始就是（距今）四千年，大家猜测是尧时代的古观测台。这个古观象台除了看太阳以外，还研究月亮的运动规律。所以这个应该是世界上最古老的一个天文台的遗址，这就说明我们古代天文学起源的非常早，之后也有非常辉煌的成就。
到了距今四百年的时候，伽利略发明了望远镜。科学家都把望远镜的发明作为现代天文学的开端，也就是说四千年前是古代天文学，四百年往后这就是现代天文学了。作为天文学来说，这个工具非常重要，像这个望远镜，像伽利略这个望远镜它是一个折射望远镜，科普望远镜大概都是由这种折射望远镜来构成的，折射望远镜就是由透镜构成的。折射望远镜发展下来以后由于透镜的制造工艺还有材料的限制，最大的望远镜口径只能做到一米。
现在用的更多望远镜是牛顿发明的，叫反射望远镜，就跟我们镜子一样是反射的，但是它用抛物面来作为反射镜，这个望远镜发展很快，他发明以后不久，英国的赫歇耳——就是发现天王星的人——就把它做成1米8。到了60年前，美国人把它做到了5米望远镜，后来苏联还做过6米口径的望远镜。再到90年代的时候，美国开始做到10米级的望远镜，就是直径越来越大，欧洲做到8米。现在全世界大概有十几架8到10米的光学望远镜。
当然，四百年发展下来，除了在地面上做的望远镜，也有一些望远镜放在了空间，大家可能最知道的就是哈勃空间望远镜，也是光学望远镜，两米四放在了空间。还有开普勒望远镜，用来探测其他的太阳系的，这些都是光学望远镜。实际上还有一些无线电望远镜，叫射电望远镜，就是用来探测无线电波做的。还有更高能望远镜，X射线望远镜，伽马射线望远镜……都放在天上来做的。我们天文学现在都是用这些工具来进行观测研究，所以我们一般把天文学叫做观测的科学，当然它背后需要很多的理论来进行研究和分析
因为宇宙非常庞大，非常遥远，所以我们每一个望远镜观测的方式是不一样的，现在望远镜越做越大，刚才我们说了从5米的现在做到8到10米，那么下一代可能还要继续考虑更大的望远镜。把望远镜做大以后，它的聚光非常强，能收集更多的光子，能看到更暗弱的天体，一般说暗的天体就是更远的天体。同时望远镜越大看的细节就越清楚，一个看得更远，一个看的更清楚，大家都在随着技术发展不停地做各种各样大型的望远镜。
但是这些大型望远镜它有一个问题——望远镜做大以后我们叫视场，视场就比较小，所以就是看的区域偏小。如果大家用相机的话，你用长焦把镜头拉长，看到的范围越来越小，所以说这是一个问题，我们想看得更深更远，也希望看得更广，这两个是个矛盾的。那么，如何把望远镜做得很大，但是同时又把视角做得也很大，这就需要创新。我们中国人自己在这方面的创新，叫做LAMOST。
LAMOST最早是由两位院士在1992年提出的，这个望远镜的好处就是既能做的口径大，同时它的视场也很大，这是我们一大特点。2008年在国家天文台的兴隆观测站正式落成。
它是由两面镜子来构成的成像系统，中间是放焦面。能够把天上的星星拍照片，可以拍光谱。
我们这个望远镜可以说是世界上口径最大的大视场望远镜，这个镜面是一个差不多5米大小的镜面，旁边有个人做对比，可以看到这个大小（下图），这是世界上最复杂的镜面，它各种运动、各种变形、各种控制做得非常精密。靠这个创新我们才做到了大视场兼备大口径这个特点。它的视场是多大呢？在天文观测大概0.5度，半度的大小，就是月亮的大小。它的最大视场，LAMOST能做到直径上可以拍10个月亮。
在焦面上呢，如果说你有了望远镜，成像就成在焦面上，一般我们就可以放那儿拍照片，或者用CCD拍成像。但是LAMOST比较特殊，它放了很多的光纤，放了4000根光纤，让4000根光纤用电机带着它去对上四千颗星去，这样再把星光传到光谱仪拍光谱，所以我们把它叫做光谱巡天望远镜，是拍光谱用的。
那么在国际上，之前的美国人用了640根光纤，说它一次可以拍六百多个天体，我们现在是四千根光纤，就一下子可以拍四千个天体，我比它多了六倍！所以拍光谱的速度或者效率是非常高的，所以我们把LAMOST叫做世界上光谱获取率最高的望远镜。
为什么要拍天体光谱？其实光谱也非常简单，光谱就是把白光变成七色光，像彩虹那样的。这个也牛顿最早发现的，后来天文学家就去前面卡一狭缝，一卡一狭缝以后就可以看到各种谱线。
拍了光谱以后，天体上有什么化学元素，比如上面有氢氧碳这些我们都能知道。然后我们能知道天体物理条件，比如温度有多高，像太阳是五千度，星星有多亮，密度有多大，压力有多少，这些都可以做。
另外，我们可以测速度，可以看谱线在里面移动，看红移和蓝移，就可以知道天体的移动速度。特别是对遥远天体，拍光谱我们可以知道距离。有了距离以后就可以知道天体在宇宙的哪儿了。
有了LAMOST这么强有力的一个设备——刚才说国际是第一的——我们就在里边发现了超高速星。超高速星的含义就是说它的速度跑得非常快，能够逃出银河系。我们银河系里边总共有上千亿个恒，这些星都绕着银河系中心转，变成一个盘子，像是铁饼一样的盘子这样转。然后从盘子的这一头到那一头距离是十万光年。也就是光传一次要走十万年，我们太阳系在这个盘的（半径）一半的地方，离银河系中心是 2.6万光年。也就是光从太阳送到银河系中心需要2.6万年。银河系大部分星都是绕着转，但是会发现少数星，它这个速度很高，比别的恒星速度要高出两三倍来。那么这颗星的速度达到多高呢？每小时230万公里的速度。也就是说，一分多钟就能够绕地球跑一圈。所以说它的速度非常快，速度比一般恒星要快的多。所以这样我们就知道它是速度很奇特的一个天体。
这种天体在近十年发现以后，大概全世界总共发现了20颗，我们LAMOST发现了第一颗，这是超高速星。然后有了光谱还能测出距离来，这样我们知道这颗星在银河系里的位置，也知道它跑的速度，按照牛顿万有引力定律我们可以反推，推出从哪跑出来的，这样一推导指到银河中心去了，银河系中心我们天文学家都认为有个超大质量黑洞，别的星都速度很低在绕，这么大一个速度，肯定跟银河系的黑洞有关系，所以我们大家把它叫做逃离黑洞的星星。
对于黑洞来说，由于引力足够强，光都逃不出去，因为物质里边跑的最快的是光，就是说它的逃逸速度要大于光速才可能跑出去，所以说连光都逃不出来，所以在天文上根本看不到黑洞。
那么怎么去发现黑洞？经过十来年，天文学家就观测银河系中心，看它周边的星，这样一圈圈地转。通过这些观测，算出轨道以后，最后可以测量出来中心的质量是四百万倍太阳质量，也就是这个黑洞非常大。然后这些星绕着这儿一点点的转。
黑洞是恒星死亡产生的，比如说我们太阳死亡的时候形成白矮星，也就把现在七十万公里半径的太阳压缩到地球那么大。这就是白矮星，这就是一种死亡的恒星。如果更大质量的恒星死亡就变成中子星，也就压到10公里，然后如果更大质量的恒星，十二个太阳质量以上的恒星，就最后死亡变成黑洞了，那就只有3公里，这是我们恒星级的黑洞。但是在星系中心里边，一般在星系形成的时候，像银河系形成的时候，中间也有一个大黑洞，那么这个黑洞我们叫超大质量黑洞。
在银河系的恒星里边，还有将近一半的恒星都是双星组成的，一般像我们太阳是个单星，还有双星组成的。如果双星落到黑洞里就是比较复杂的一种情况，这种叫三体问题。像一颗星绕黑洞转是一个两体问题。两体是圆轨道或者椭圆轨道，非常周期性的，一点没有问题。但是如果两个双星转得很好，到了黑洞这儿呢它就被黑洞扰了变成三体，这就会变得非常复杂的问题。有本科幻小说叫作《三体》，三体以后的规律就非常复杂，那么如果这两个恒星靠黑洞过于近了，其中一颗被吞吃掉了，就是相当于把这对伙伴解散了。一个吃掉了，另一颗就会很高的速度弹出去，这时候超高速星就会出来。所以，目前天文学家认为，超高速星就是因为双星跟黑洞的相互作用，黑洞吞吃了一颗恒星，另一颗恒星就以很高的速度弹出来了，这就是超高速星的特点。
这种概率并不是很大，因为它必须双星运动到黑洞附近才有可能被它吞噬掉，天文学家算了以后发现，大概十万年会弹出一颗来。现在总共发现了二十颗，我们LAMOST发现了这一颗。通过这些，我们对中心黑洞的性质做了研究，还有沿途它走的轨道，我们都可以做了一些研究。
我们要把全天的星星做一遍普查。LAMOST方式就是守株待兔，等着星星转过来我们就拍。这样慢慢地拍，这样一片一片过去了。有点就像坐地日行八万里，巡天遥看一千河。这样继续去看它。
我们2011年开始做的先导巡天，拍了四百个天区，做了70万个天体的光谱。然后第二年我们做了加起来170万，到了今年5月份我们就已经做到了300万，这个数目已经比LAMOST之外的全世界其他所有望远镜做的光谱率数的总和还要多，所以我们现在获得世界最大的天体光谱数据库。
有了这些数据库以后，我们天文学家就可以做一些研究，包括我们现在国内一些天文学家，和国际天文学家合作在做。我们最开始讲美国的犹他大学的发现，实际是中美双边合作研究，共同发现的，用的我们LAMOST光谱巡天做下来的光谱数据库，他们去做的发现。现在这种合作研究越来越多。
有了像LAMOST这样强有力的创新的天文设备，然后经过几年的巡天，获取了大量的数据，供天文学家研究。这样会大大推动整个天文学的发展，我也相信中国的天文学应该像古代天文学一样，再创辉煌。
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