背景介绍

一、星系的形成与演化 二、银河系及已有银河系巡天项目 三、LAMOST谱巡天 四、本项目中的核心科学问题

 

一、星系的形成与演化

星系是宇宙的基本结构单元。阐释星系的集成历史,理解星系形态、结构和性质的规律性和多样性,是二十一世纪天体物理学的重大问题。在当下通行的暗能量与冷暗物质(LCDM)主导的宇宙学框架下,宇宙的大尺度结构,包括星系自身,是通过并合、吸积较小尺度结构,自下而上逐级增长而形成的。虽然这一理论获得了一系列观测及数值模拟结果的支持,但宇宙结构形成过程中仍然包含许多目前知之甚少、异常复杂的物理及天体物理过程。通过对近邻可解析星系的精细研究以及对大样本遥远星系相对较为粗略的统计分析来经验地揭示星系集成历史及相关物理、天体物理过程和规律,对深化星系形成和演化过程的认识具有重要意义。

Via Lactea模拟

二、银河系及已有银河系巡天项目

银河系是一个正常大小的典型盘星系,由富含气体尘埃的、旋转支撑的年轻的盘、年老的无规运动(压强)支撑的晕以及核球等主要恒星成分组成。作为一个典型的盘星系,银河系是唯一可以将其星族组成解析为单体,并对其在包括三维空间、三维速度以及化学元素丰度的多维相空间里进行细致研究的旋涡星系。然而,由于观测者身处其中,银河系数千亿颗恒星散布在全天4π立体角里(约4.12万平方度)。同时,大量观测证据表明,银河系仍处于集成过程中,还在不断吸积、吞并外来(矮)星系和星团,存在大量并合、吸积过程中因潮汐相互作用而形成的星流等(不对称)子结构。因此,要全面解析和揭示银河系的三维空间结构、运动、物质(包括重子和暗物质)分布、星族和星际介质的化学和动力学性质,及其随时间的演化,必须开展覆盖全天的大规模光谱巡天。

银河系结构示意图

近十年来,已有一些大型巡天项目相继开展。这些项目的开展深化了我们对银河系的认识。其中在国际上产生了重要影响的代表性巡天计划有GCS、SDSS/SEGUE、RAVE、APOGEE和HERMES。

GCS巡天目标仅限于太阳附近200 pc以内,获得了V星等亮于8.3的16,682颗F和G矮星的金属丰度、年龄、运动速度和轨道参数等,并利用Strömgren uvby测光色指数估算了金属丰度。GCS通过分光观测取得了样本星的视向速度信息,但丰度的测量基于分光定标的测光数据,测量精度对光谱型依赖较大。

历经十年观测,SDSS I期和II期完成了全天约1/4天区(主要是高银纬区域)近12,000平方度、整体测光精度达到1-1.5%、极限星等约22等、覆盖全光学波段的CCD五色测光资料,同时还取得了近100万个星系、12万颗类星体、50万颗恒星的低色散(R ~ 1,800)光学光谱。SDSS提供的史无前例的海量高精度测光数据使得我们对银晕的认识有了质的提高,获得了一系列重要结果,如发现了大量银晕中的矮星系以及银河系吸积、并合矮星系、星团残留下的潮汐碎片(星流)等子结构,为LCDM框架下星系自下而上逐级集成的形成和演化模式提供了生动有力的证据。然而,作为一个以高银纬天区为主要观测区域,河外星系、类星体为观测对象的巡天计划,SDSS对银盘的采样微乎其微。即使是SDSS的银河系研究扩展项目SEGUE,也只是对十几条互不相连的穿越银盘的窄带做了测光观测。受有限观测时间和光纤数目(640根)的制约,虽然SEGUE和SEGUE-II获得了400个天区内近24万颗恒星的光谱数据,但这些恒星分布在一个个分离的铅笔束里,类型多达十多种,遴选判据复杂,带有很强的选择效应,难以开展有意义的统计分析工作。

SDSS

RAVE光谱巡天的设计目标是获得南天百万恒星的视向速度以研究银河系的结构和动力学演化。RAVE观测深度相对较浅(9 < I < 12),且天区分布在|b| ≥ 25°高银纬区域。SDSS III期子项目APOGEE将获取10万颗亮于H = 12.5等晚型巨星的高分辨近红外光谱,研究银河系(内区)的动力学结构和化学增丰历史。即将开展的HERMES巡天将对有限数目的亮星开展高分辨光谱观测,获取详细的恒星元素丰度信息,研究银河系恒星形成和化学增丰历史。

具有银河系整个恒星星族普查意义的是拟于2013年升空的欧空局新一代天体测量卫星Gaia。Gaia将对全天进行多历元的测光和低分辨光谱观测。Gaia位置测量精度高达10微角秒。除了给出前所未有的10亿颗恒星的三角视差和自行之外,还将得到1.5亿深至16等恒星的视向速度和几百万深至12等恒星的大气参数。

Gaia

虽然以上巡天项目的相继开展深化了我们对银河系的认识,但在2020年前后Gaia释放数据之前,国际上还没有一个针对银河系,尤其是针对其标志性结构银盘的天区覆盖连续、统计上完备的大规模光谱巡天。事实上,开展覆盖全天、针对银河系数以千亿计恒星的大规模光谱巡天是一项超出现有所有天文设施能力、难以实现的任务。问题的复杂性和艰巨性使得针对银河系大规模巡天计划的开展远远滞后于河外星系(后者在一定程度上受益于宇宙大尺度结构的均匀各向同性)。银河系大规模光谱巡天的缺失使得关于银河系形成演化的一些重要基本问题至今仍无定论,如从银晕到银盘的形成过程是否连续?厚盘和薄盘是两个完全不同的结构子系,还是同一成分连续演化过程中呈现的两种极端情况?薄盘和厚盘是如何形成的?等等。

三、LAMOST光谱巡天

新型大视场兼大口径光学天文望远镜(LAMOST,即郭守敬望远镜)是我国自主创新研制的具有国际竞争力的首台天文大科学装置,能同时获取最高4,000个分布在20平方度视场里天体的全光学波段(370-900纳米)中低色散(R~1800)光谱。LAMOST的光谱获取率是SDSS I期、II期(2000-2009;640根光纤)的6.25倍,III期(2010-,1000根光纤)的4倍。LAMOST的建成为我国开展银河系大规模光谱巡天,研究银河系的结构、形成和演化并在世界上占有一席之地提供了一个极为难得的、重要的历史机遇。

LAMOST 光路图

LAMOST 2009年通过国家工程竣工验收。随后开展了为期两年的性能测试和优化观测试运行,解决了4000根光纤的自动定位问题,定位精度误差整体小于1角秒,基本达到了观测需求。通过引入宽度为光纤直径(3.3角秒)2/3的狭缝(即2.2角秒),使LAMOST 16台摄谱仪的光谱分辨本领达到1,800,与SDSS巡天接近。狭缝的引入虽然使进入光纤的星光损失20%,但因此而得到提高的谱分辨率对恒星视向速度及基本参数(有效温度、表面重力加速度、金属丰度)的可靠测定具有重要意义。

为检验国内外天文学家提出的各种LAMOST光谱巡天项目的可行性,LAMOST在2011年秋至2012年春进行了先导巡天。根据先导巡天积累的经验和数据, LAMOST光谱巡天可实现的较为实际的极限星等约为r = 17.8等,少量天区可达r = 18.5等。

LAMOST r = 17.8的大规模光谱巡天极限星等与SDSS获得的大部分恒星光谱的极限星等相当,比欧洲空间项目Gaia的分光观测极限星等(15 - 16等,依赖于光谱类型)深约2个星等。Gaia计划2013年发射,整个巡天计划完成数据释放至少要到2020年。作为下一代空间天体测量卫星,Gaia将提供数以亿计的银河系恒星高精度测光数据、三角视差(距离)和自行(天体在天球面上的切向速度)。正如LAMOST巡天科学计划国际评估委员会指出的,LAMOST与Gaia一道,将成为未来十年推进银河系研究的最重要的天文观测设备。

在充分分析LAMOST实测性能指标及积累的观测数据的基础上,结合LAMOST所处兴隆观测站地理位置及天文气候条件,LAMOST科学委员会确立了以大规模银河系光谱巡天及多波段天体光谱证认为核心科学目标的巡天计划。LAMOST正式巡天计划已于2012年秋启动。

LAMOST银河系光谱巡天计划包括:1)银晕天区,银纬|b| ≥ 20°;2)反银心天区,|b| ≤ 30°,银经150°≤ l ≤ 210°;3)反银心天区外低银纬区域,主要观测目标为疏散星团及恒星形成区成员星。作为最有可能完成的LAMOST巡天重点课题的银河系反银心方向巡天(DSS-GAC)计划,有望在5年的时间里获得反银心方向3438平方度连续天区内(−30° ≤ b ≤ +30°, 150° ≤ l ≤ 210°)、探测深度达到r = 17.8等(少量天区达到18.5等)约225万条红端每像素信噪比大于10的恒星光谱。样本将包含分布在薄盘、厚盘、晕及其过渡区域内的各类恒星,实现在天区覆盖、巡天体积、采样密度及统计完备性方面的重大突破,为开展银河系特别是银盘的系统研究提供极好的、具有传承价值的样本。

LAMOST 银河系反银心方向光谱巡天天区覆盖 (黄色方框内部区域)

因观测设备的缺乏,我国大规模巡天工作刚刚起步。上世纪九十年代发展起来的兴隆60/90公分施密特望远镜BATC多色测光系统,对多个小天区开展了CCD中带多色测光,取得了一系列研究成果,并培养了一批实测天体物理学家。盱眙施密特望远镜反银心方向CCD多色测光巡天是基于我国自主设备完成的首个大天区测光巡天。历时两年,盱眙施密特望远镜多色巡天获得了反银心方向约6千平方度及M31/M33天区约1千平方度g、r、i三色CCD成像观测,取得了约1亿颗恒星的位置和测光数据,定位精度0.1角秒,测光精度2%,极限星等19等。该项目的完成,解决了LAMOST反银心方向光谱巡天输入星表的问题,并已成功应用于LAMOST光谱巡天。即将完成的中美合作南银冠u波段巡天,利用美国Steward天文台2.3米Bok望远镜对南银冠3千多平方度天区开展深度u波段CCD测光巡天,极限星等比SDSS深1.5个星等,这将为多波段天体光谱证认和银河系结构提供新的选源基础和研究手段。

紫金山天文台盱眙施密特望远镜

图左:盱眙施密特望远镜反银心方向 CCD 测光巡天 g、r、i 三色图像合成的真彩图图右:盱眙测光数据给出的颜色-星等图。

利用LAMOST巡天光谱数据,结合为LAMOST反银心方向光谱巡天准备输入星表而开展并已完成的盱眙观测站1.04/1.20米施密特望远镜CCD成像测光巡天获取的测光数据,以及国际上其它光学(如SDSS、IPHAS、UVEX)、红外(2MASS、WISE)、紫外(Galex)巡天计划获取的测光数据,可以得到大样本银盘恒星的大气参数(有效温度、表面重力和金属丰度),以及α元素(Mg、Ca)与铁的丰度比[α/Fe]和视向速度等,从而为研究银盘星族、星际介质的分布及其化学、动力学性质提供海量的观测数据。对已有LAMOST观测数据的分析表明,除极端或特殊光谱型恒星外,当光谱每像素信噪比高于10时,对视向速度Vr、有效温度 Teff、表面重力Log g和金属丰度[Fe/H]的测量精度分别达到5-10 km/s,200 K,0.5 dex(cm/s2)和0.3 dex。

不仅如此,将LAMOST巡天光谱数据与Gaia将获取的数以亿计银河系恒星的高精度的视差和自行信息相结合,将给出恒星的三维空间位置和速度、轨道参数及恒星年龄等,从而得到银盘中各有关星族恒星的六维运动学参数(位置和空间速度)以及在化学丰度空间的分布等极其宝贵的信息。这些信息不仅为揭示银河系的结构/子结构提供了基础性数据,还可由此追溯这些结构/子结构的形成机制及其动力学、化学演化历史,其结果势必为银盘乃至整个银河系的形成机制和演化模型提供细致可靠的观测依据和约束条件。

天文观测已从可见光、射电波段扩展到包括红外、紫外、X射线和γ射线在内的电磁波各个波段,形成了全波段天文学,为探索各类天体和天文现象的物理本质提供了强有力的观测手段。目前在各个波段上开展的一系列大规模、大范围巡天发现的大量多波段天体(即具有多波段辐射的天体)亟待光学光谱巡天证认和性质研究。由于LAMOST拥有4,000根光纤,在多波段天体光谱证认方面具有现有国内外设备难以企及的优势和潜力,非常适合对大量多波段天体进行高效的光谱证认,为揭示多波段天体的物理本质,开展多波段天体大样本统计研究提供重要帮助。利用LAMOST开展多波段天体的光谱证认不仅能发挥LAMOST高效的光学光谱观测优势,也充分利用了世界上多波段大型设备观测的数据,非常有利于提升LAMOST光谱巡天的国际影响力与科学产出。证认得到的多波段天体样本将在国际上广泛应用,从而使我国在多波段天体研究上迅速达到国际先进水平。基于LAMOST性能测试和先导巡天阶段取得的数据,已发现一批类星体和行星状星云,包括M31/M33毗邻天区超过500颗类星体,这是我国天文学家利用自主设备发现的数目最大的类星体样本,对精确测量M31、M33自行,研究本星系群星际/星系际介质具有重要的价值,充分表明LAMOST在多波段天体的证认方面大有可为。

预期2012年秋至2017年春LAMOST 5年巡天计划将获得极限星等r = 17.8(少量天区达18.5)不少于375万条r = 14 - 17.8等红端每像素信噪比大于10的光谱,其中包括225万条反银心方向天区的恒星光谱以及125万条高银纬和反银心方向以外其它低银纬(秋季)天区的恒星光谱。此外,LAMOST还将取得不少于150万条9-14等亮星的光谱。5年里LAMOST将实现对不少于50万多波段天体的光谱证认工作,观测天区主要集中在具有特殊选源优势和研究价值的天区(如UKIDSS、WISE、IPHAS、UVEX等)、秋季可观测的南银冠天区及本星系群M31、M33天区等。

综上所述,目前还没有一个针对银河系,尤其是针对其标志性结构银盘的天区覆盖连续、统计上完备的大规模光谱巡天。在Gaia数据大约2020年释放之前,LAMOST银河系巡天将是国际上最具竞争力的大规模银河系光谱巡天计划。即使在Gaia升空后,LAMOST极限星等r = 17.8(少量天区可达18.5)仍比GAIA光谱观测能力深2-3个星等。

四、本项目中的核心科学问题

银河系中心位于南半球(银心赤经17小时46分,赤纬-28度56分),超出了LAMOST的可观测区域。本项目将集中于银盘、银晕的形态、结构、物质(包括暗物质)分布、星族及其化学和动力学演化,以及多波段天体的光谱证认研究。下面对其中的核心科学问题以及国内外研究现状和发展趋势做简要介绍。

银盘是银河系恒星分布的主体,它包含了银河系90%的重子物质及绝大部分角动量,是恒星形成及星系动力学演化的主要场所,呈现众多复杂、起源不甚清楚的结构。研究银盘内这些不同结构的起源及动力学和化学演化,对理解银河系整体的形成和演化具有重要的意义。银河系厚盘的存在已为天文学家所普遍接受,许多河外星系也发现存在厚盘。然而薄盘与厚盘是否是两个独立结构成分、其形成机制是什么至今仍无定论。近来,Bovy等通过分析SDSS/SEGUE光谱巡天给出的28,000颗不同标高的G矮星在[α/Fe]-[Fe/H]坐标平面上的分布,甚至提出银河系不存在厚盘!LAMOST反银心方向巡天对薄盘、厚盘的系统观测可望彻底解决这一热点问题。

精确测量银河系三维消光分布对获取天体内禀辐射性质、构建银河系三维结构、获取星际气体尘埃的分布及性质具有重要的意义。然而,构建银河系三维消光分布极其困难。广泛应用的Schlegel et al.(1998)工作仅给出了各视线方向的总消光。已有的三维消光测量工作在天区覆盖、分辨本领或测量精度都十分有限。Yuan & Liu(2012)和Yuan, Liu & Xiang (2013)发展了一套在百万恒星光谱时代利用恒星配对技术探测星际弥散带、测量恒星消光的方法。该方法适用于所有类型的恒星,且对系统误差不敏感。结合高精度测光数据,利用该方法可精确测量大样本恒星在多个波段的消光。该方法可直接应用于LAMOST所获取的海量银河系恒星光谱,取得天区覆盖范围和深度及空间采样密度都有质和量级上的提高的银盘尘埃消光、星际弥散带强度的三维空间分布,为研究星际尘埃性质、消光规律以及世纪难题星际弥散带的起源提供前所未有的机遇。

疏散星团因其较宽的年龄和质量谱,成为研究银盘演化的有效探针。从观测角度看,疏散星团的距离和整体运动、金属丰度以及年龄的测定相对准确和可靠。年老星团的年龄可以较好地测定,使之成为研究早期银盘形成的最好工具之一;对于银盘恒星的初始质量函数及其普适性而言,年轻疏散星团提供了绝佳的研究样本。因此,疏散星团是研究盘族恒星系统结构和演化的最佳样本。LAMOST巡天将获取低银纬天区数以百计疏散星团的大样本视向速度和金属丰度数据,尤其是银河系内疏散星团金属丰度的分布能提供银盘整体化学演化的关键信息,将为银盘形成和演化模型提供可靠的约束。

银河系恒星晕的复杂结构是银河系研究的重大发现。然而太阳邻域可能存在的结构难以在三维空间直接探测到。Helmi(1999)、 Klement et al.(2009)、 Klement(2010)通过对SDSS/SEGUE、RAVE及自行等观测数据的相空间分析,发现了太阳邻域内的星流和潮汐碎片。LAMOST巡天对该区域的采样将大大超过以往的任何观测,有望对吸积并合事件的统计性质做出可靠的观测限制,从而检验LCDM框架下星系逐级形成理论。

银河系深嵌在我们可以探测到的最近的暗物质晕中。这是天文学家和物理学家了解暗物质的质量分布、动力学特征和演化的最佳观测目标。天体物理学家关心它的总质量和形状、子结构以及和银盘的相互关系,宇宙学家则更关心子晕的光度函数以及其对于LCDM理论的观测约束。太阳邻域的暗物质密度的探测已有超过半个世纪的历史,但受有限样本(数百颗星)的制约,不同工作得到的结论差异很大。精确测量太阳附近暗物质密度不仅是对天体物理学的一个挑战,也对实验物理具有重要意义,将有效限制暗物质粒子探测概率及粒子能量密度。

多波段天体光谱证认是国际上大型多光纤光谱巡天的重要内容。其中最重要的如2DF和SDSS巡天已发现十多万个类星体,但因其选源主要基于光学测光数据,在选源效率和完备性方面仍有不少缺陷。近年来我们利用光学、红外和紫外等多波段数据,在LAMOST测试观测和先导巡天阶段中发现了约1,000个类星体、30个行星状星云、1,500个白矮星及100个黑洞中子星候选体。这充分显示了开展LAMOST多波段天体证认的有效性和必要性,为正式巡天阶段发现大量特殊的多波段天体打下了良好基础。