课题设置

1、课题设置及相互关系

围绕银河系形成与演化及多波段天体光谱证认研究的5个关键性的前沿科学问题:(1)银盘的三维空间、运动及金属丰度分布是怎样的,其恒星形成和化学增丰历史是怎样的,星际介质及尘埃的三维空间分布是怎样的?(2)薄盘和厚盘是否是独立结构,起源是什么,长期演化对银盘有何影响?(3)吸积和并合对银晕有多大贡献,相空间是否存在更多结构? (4)银河系引力势和物质分布是怎样的,太阳附近是否存在暗物质空洞?(5)发现和研究一批具有特殊研究价值的多波段天体,项目设置5个研究课题:

(1)银盘结构、星族及其化学和动力学研究;

(2)星际介质和疏散星团研究;

(3)银晕结构及性质研究;

(4)银河系引力势与物质分布研究;

(5)多波段天体光谱证认研究;

分别研究银盘星族及星际介质的三维空间、运动、金属丰度分布及其化学动力学演化(科学问题1-2);银晕的结构/子结构及其吸积历史(科学问题3);银河系引力势与暗物质分布(科学问题4)及特殊天体的搜索和研究(科学问题5)。

银晕和银盘是银河系两个相对独立的主要结构子系,无论在形态、星族组成还是运动性质上都有很大差别,但两者又存在密切的联系,厘清银盘和银晕的相互关系是理解银河系集成历史的一个重要内容。课题(4)关心的银河系引力势和物质分布涵盖银盘和银晕,课题(1-3)揭示的银盘和银晕的三维空间、三维速度结构/子结构是开展课题(4)研究的观测基础和检验,反过来讲,课题(4)提供的银河系引力势及物质分布模型为课题(1-3)分析和诠释观测数据提供了理论基础。课题(5)关心的多波段天体包括对银河系研究有重要意义的特殊天体,如极端贫金属星、超高速星、致密天体双星等。

顺利完成LAMOST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,对获得的海量光谱数据进行细致分析,获取均匀、统计无偏的高质量样本不仅是开展上述课题研究、解决核心科学问题的前提和基础,同时其本身也是一个重要的科学问题。为确保样本质量、加强课题间的合作、强化与LAMOST科学委员会以及运行与发展中心的协作,本项目特设立“巡天样本工作组”,由项目推荐首席科学家以及有丰富实测经验和数据分析能力的课题组成员组成,开展样本相关的科学研究。

2、跨课题巡天样本工作组

工作目标:获取均匀、完备的高质量光谱巡天样本及高精度视向速度、恒星基本参数测量,研究样本的统计性质及相关科学问题,与LAMOST科学委员会、运行与发展中心协作,确保巡天样本和数据及分析质量达到本项目核心科学目标要求。

主要研究内容和任务:

(1)输入星表及其性质,样本的选取及算法,天文观测条件、仪器性能及稳定性,巡天策略及优化;

(2)巡天数据处理、定标及误差分析;

(3)巡天光谱的分类和证认,视向速度和恒星基本参数的测量、定标及误差分析;

(4)巡天进展、数据质量的跟踪和评估,必要时根据项目核心科学目标需求与LAMOST科学委员会、运行与发展中心协商,及时予以调整。

工作组承担单位:北京大学、国家天文台

工作组负责人:刘晓为

工作组成员:赵永恒、吴学兵、周旭、罗阿理、施建荣、张华伟、刘超

3、课题一:银盘结构、星族及其化学和动力学研究

研究目标:利用LAMOST银河系巡天获得的数百万条恒星光谱,构建一个在天区覆盖、巡天体积和采样密度等方面统计上完备的包含薄盘和厚盘及其过渡区域内的各类恒星的观测样本,获得这些恒星的基本参数和视向速度,确定恒星在三维空间、三维速度及化学丰度空间里的分布,针对银盘的结构、厚盘和薄盘的形成及化学动力学演化等涉及银河系结构和演化的核心问题进行系统研究。

主要研究内容:

(1)利用LAMOST银盘恒星巡天数据,精确测定不同星族恒星的标长、标高和面密度,结合恒星的金属丰度分布和空间速度分布等信息,揭示银盘的恒星结构成分(厚盘和薄盘)以及银盘外围翘曲、边缘增厚、截断、麒麟环等子结构存在的观测证据及其起源。

(2)利用LAMOST光谱获得的恒星视向速度,结合国内外测光巡天数据得到的恒星自行、位置和距离,确定恒星的三维空间速度和平均速度弥散;利用银河系的势函数和恒星位置及速度等参数确定恒星运动轨道的偏心率,利用恒星演化模型得到各类恒星的年龄;综合恒星的空间速度分布、轨道参数等运动学特征以及年龄与速度弥散的关系(AVR)等观测特征,深入探究银盘的形成机制和动力学演化,特别是厚盘的起源。

(3)利用LAMOST光谱得到的恒星基本参数有效温度、表面重力和金属丰度建立可靠的恒星大气模型,通过光谱综合和模板比对等方法确定恒星的α元素(Mg、Ca)的丰度,分析不同星族恒星的金属丰度分布函数和[α/Fe]的分布,根据银盘径向和法向的丰度梯度、[α/Fe]随金属丰度和速度的分布以及金属丰度与年龄关系(AMR)等化学演化特征,详细研究薄盘和厚盘的化学演化,为银河系演化模型提供可靠的观测约束。

课题承担单位:北京大学、国家天文台、上海天文台、北京师范大学、河北师范大学

课题负责人: 刘晓为

主要学术骨干:施建荣、沈俊太、付建宁、李冀、赵景昆

4、课题二: 星际介质和疏散星团研究

研究目标:基于大样本视向速度和恒星光谱参数数据,以疏散星团为探针,研究银盘整体动力学结构和化学演化;结合多色测光数据,精确测量银河系三维消光分布,研究星际气体尘埃的分布及性质;探讨星际弥散带(DIBs)的证认与起源问题。

主要研究内容:

(1)结合多色测光数据,精确测量大样本恒星多波段消光与分光距离,构建银河系高分辨率三维多波段消光分布,研究消光规律及尘埃性质随空间、环境的变化。

(2) 使用光谱匹配方法,对数十万颗恒星视线方向上的DIBs特征进行测量,研究DIBs的分布和性质,探讨DIBs的起源。以DIBs为探针研究星际介质及尘埃在银盘上的分布。

(3) 利用LAMOST光谱数据系统搜索新的行星状星云,通过建立一个有统计意义的样本解决所谓银河系“行星状星云缺失”的问题。利用得到的银河系三维消光分布,获取行星状星云、电离氢区的距离,研究银盘旋臂结构、丰度梯度及其演化。

(4) 以不同区域的疏散星团运动情况作为银盘引力势分布的探针,研究银盘的整体结构;研究银盘丰度梯度随银心距及时间的可能变化。利用大样本的疏散星团数据探明“年龄-丰度-速度关系”,研究银盘的动力学演化;利用老年疏散星团的丰度资料,研究银盘“年龄―金属丰度关系”。

(5) 基于LAMOST大样本视向速度数据,系统地开展疏散星团天区恒星的星团成员性判定,确定疏散星团的基本天体物理性质。同时,对大样本疏散星团成员星进行光谱分类研究,探测具有特殊天体物理意义的各种恒星成分。

(6) 利用年轻星团开展星团形成和早期动力学演化研究,探索恒星初始质量函数及其普适性问题;利用年轻星团的年龄和整体运动性质,追溯其诞生的环境。

课题承担单位:上海天文台、国家天文台、北京大学、北京师范大学

课题负责人:侯金良

主要学术骨干:陈力、马骏、姜碧沩、张华伟、新宇

5、课题三:银晕结构及性质研究

研究目标:该课题主要针对银河系大尺度结构,包括银河系恒星晕整体及其中的子结构、星流、潮汐碎片和移动星群。利用LAMOST恒星光谱巡天,获得百万量级的恒星光谱,得到恒星的视向速度和金属丰度(包括部分元素丰度)信息。结合其它巡天的资料,发现和研究银河系各种层次上的子结构,研究矮星系吸积、结构的形成规律及其演化历史。

主要研究内容:

(1)利用LAMOST银晕恒星的光谱巡天数据并结合其它大型巡天(SDSS、2MASS等),从空间结构和运动学上研究银河系晕的大尺度结构。在扣除了星流等子结构影响之后,分析研究银河系恒星晕整体上的对称性质,为研究银河系整体引力势和物质分布的研究提供基础。

(2)筛选巡天数据中的远距示踪恒星子样本(BHB和K/M巨星等),研究已经发现的银晕中星流和潮汐碎片等子结构。在纯化BHB样本的过程中,研究蓝离散星分布和统计性质,并得到相互作用双星在星族中的比例。在太阳的邻域,利用尽可能大的晕族恒星(F-turnoff及其它示踪恒星)巡天子样本,在相空间和恒星计数上发现并研究银晕的子结构,包括吸积矮星系留下的星流和潮汐碎片,开展近场宇宙学相关研究。

(3)建立银晕恒星金属丰度的分布函数,研究银晕恒星星族分布和统计性质,并利用金属丰度参数研究银河系结构和星族特性。得到银河系贫金属星样本,为搜寻和研究银河系极端贫金属恒星、发现最贫金属恒星提供候选体样本。

(4)搜寻银河系内超高速恒星,研究银河系中央黑洞与恒星相互作用过程和频率。发现束缚高速恒星和非银河系中心起源的超高速恒星,检验和约束相关理论模型,研究这些高速恒星的起源。

(5)通过巡天的重复观测子样本研究恒星的时域问题,研究各类双星的统计性质(质比、轨道半径、周期等参数的分布);利用巡天多次曝光的观测模式得到的单次光谱资料,研究短时标时域问题。进一步拓展LAMOST银河系恒星巡天的发现空间,研究恒星结构、演化和脉动中的基本问题。

课题承担单位:国家天文台(总部和云南天文台)

课题负责人:邓李才

主要学术骨干:陈玉琴、徐岩、张昊彤、王博、王有刚

6、课题四: 银河系引力势与物质分布研究

研究目标:在大样本统计无偏的恒星运动信息基础上,精确测量银河系的引力势和暗物质分布,揭示银河系的整体结构和暗物质晕的子结构,探测太阳附近的暗物质密度,为暗物质粒子的寻找提供天文学依据。

主要研究内容:

(1)通过对不同半径处晕星的速度弥散的分析,结合光谱测量的金属丰度和SDSS、PanSTARRS等测光巡天数据估计距离并改正选择效应,确定40 kpc范围内的暗物质晕的形状。利用不同视线方向的视向速度投影,估计速度椭球的各向异性,限定暗物质晕的三轴椭球结构。根据晕星速度的分布,寻找暗物质晕中的子结构特征。在上述研究中同时应用多个动力学模型方案(Jeans模型、Schwarzschild模型和Made-to-Measure模型),通过比较分析各个模型给出的结果,确定暗物质晕的最可能结构和子结构。

(2)遴选低银纬观测数据中的红团簇星和富金属K型巨星,扣除消光的影响,确定它们的距离。采用多个方案(速度投影法、直接测量法、分布函数等)精确估计6-16 kpc范围内的自转曲线,揭示在此范围内的子结构(旋臂、物质环)。采用不同引力势形式,从自转曲线中分解出核球、盘(包括盘上的子结构)、 暗晕(16 kpc之内)等结构。

(3)使用高银纬G、K型矮星的观测数据,结合测光数据估计距离并改正选择效应。由于各个动力学模型的假设各不相同,而这些假设对结论有决定性影响,因此在同一数据样本的基础上,采用不同模型估计太阳附近的暗物质质量密度。比较并分析不同模型的结果,最终确定最可靠的结果。

课题承担单位:国家天文台、上海天文台、上海师范大学

课题负责人:赵永恒

主要学术骨干:Martin Smith、罗阿理、束成钢、周旭、刘超

7、课题五:多波段天体光谱证认研究

研究目标:发挥LAMOST大视场和多光纤的优势,获得不少于50万个多波段天体的光谱,并从中证认出数万个类星体、数千个亮红外星系和极亮红外星系、上万个白矮星、数百个行星状星云和100个银河系内恒星级黑洞。构建这些多波段天体的样本,在此基础上探讨这些特殊天体的物理本质及其形成与演化规律。

主要研究内容:

(1)高银纬天区光学/红外选类星体的证认:基于光学和红外测光数据以及中美南银冠u波段巡天数据遴选50万个类星体候选体,从中发现数万个新类星体。利用这一样本在类星体光度函数、类星体对和成团性、类星体环境、宇宙大尺度结构等课题研究上得到更确切的结果。

(2)亮红外星系和极亮红外星系的证认:基于红外巡天数据利用光谱巡天得到数千个亮红外星系、数百个极亮红外星系、上百个红外亮类星体样本,从统计上给出这些天体的数密度并研究其演化特性。对比不同年龄星族成分的比例推断E+A与亮红外星系的演化联系。

(3)M31/M33天区类星体、行星状星云的搜寻与证认:通过采用更细致的选源判据在M31/M33毗邻天区遴选大批行星状星云候选体和类星体候选体,从中发现约数百个行星状星云和3,000个背景类星体,并利用它们开展M31/M33及其延展尺度结构的化学组成、分布和动力学性质研究。

(4)银河系致密天体的多波段搜寻与证认:选取约30,000个有较强紫外辐射的源,从中发现银河系内约100个黑洞和一万多颗白矮星。确认小质量恒星级黑洞是否缺失、Ia型超新星可否通过吸积形成。确定一批脉动白矮星候选体,为利用白矮星为探针研究银河系结构打下基础。

(5)射电源与X射线源的光学证认:对数万个射电源和数千个X射线源进行光谱证认,构造大样本以研究这些特殊天体的物理本质。对即将发射的eROSITA卫星发现的亮X射线源进行光谱证认,利用更大的类星体样本和更好的X射线数据对类星体的多波段辐射特性开展研究。

课题承担单位:北京大学、国家天文台、上海天文台

课题负责人:吴学兵

主要学术骨干:吴宏、刘继峰、沈世银、张彦霞、霍志英