□ 采訪整理 張長喜

“中國天眼”窺銀河訪北京大學劉曉為教授

□ 采訪整理 張長喜

劉曉為教授簡介：

劉曉為教授，長江學者、國家杰出青年科學基金獲得者。1986年畢業(yè)于北京大學地球物理系天體物理專業(yè)，獲理學學士學位。同年入中國科學院北京天文臺攻讀博士學位，1989年赴德國慕尼黑歐洲南半球天文臺學習，1992年完成博士論文回國，獲理學博士學位。1993年赴英國倫敦大學學院物理天文系，從事光致電離氣體星云方面的研究，1999年成為該系高級研究員?，F(xiàn)任北京大學物理學院天文學系長江特聘教授、國家重點基礎研究發(fā)展計劃（973計劃）“基于LAMOST大科學裝置的銀河系研究及多波段天體證認”項目首席科學家、國務院學位委員會物理天文學科評議組成員、國際天文學聯(lián)合會（IAU）副主席、中國天文學會常務理事、郭守敬望遠鏡科學委員會成員。發(fā)表科研論文（SCI）100余篇，引用2800余次。

夏季農(nóng)村的夜晚，天空中南北走向的茫茫天河，是童年抹不去的記憶。長者說，天河里有水，把牛郎和織女分隔在東西兩岸。長大后，上了小學、中學，知道月亮是地球的衛(wèi)星，太陽是一顆恒星，太陽系由許多大行星、小行星、流星和彗星組成，天上的那條河是銀河系，太陽系就在銀河系內(nèi)。后來加入了天文學的隊伍，了解了更多宇宙的奧秘。對于人類的活動空間來說，盡管銀河系已是非常巨大，但它只是宇宙的微小部分，在我們可觀測的宇宙中，有1000億個銀河系這樣大小的星系。認識星系的結(jié)構(gòu)和演化是了解整個宇宙的基礎。銀河系真實的三維結(jié)構(gòu)是怎樣的？它是如何形成的，又將如何演化下去？等等，關(guān)于銀河系仍然有許多待解之謎。北京大學天文學系及科維理天文與天體物理研究所教授劉曉為正帶領(lǐng)國內(nèi)一批天文學家探索有關(guān)銀河系的疑難問題。

Q1 即使面對星空，人們也難以想像宇宙有多么巨大，請您介紹一下宇宙的大小與結(jié)構(gòu)？A 宇宙有多大？它是什么樣子的？它有沒有邊緣？自人類誕生以來，這些一直是困擾著人類的難題。古今中外科學家和哲學家曾經(jīng)給出過種種說法，但都不是嚴格的科學結(jié)論?，F(xiàn)代天文學家依靠望遠鏡觀測宇宙，依靠物理規(guī)律理解宇宙，努力尋找這些問題的答案。按照近年來最新觀測結(jié)果，天文學家觀測到的最遠天體距離我們約130～140億光年。在可觀測宇宙范圍內(nèi)，大約有10 00億個星系，過去天文學家稱它們?yōu)橛钪鎹u（宇宙大海中的島嶼），銀河系就是其中之一。

銀河系由中心核球、盤和球狀暈和暗物質(zhì)暈構(gòu)成。一般認為，銀盤包括薄盤和厚盤兩個結(jié)構(gòu)子系，厚盤的徑向尺度較小，使整個銀盤看起來中間厚、外圍薄。銀河系含有10 00～40 00億顆恒星。銀河系中恒星的分布并不均勻，它們主要分布在銀盤和中心核球區(qū)。新近形成的年輕恒星則集中在銀盤內(nèi)幾條起始于銀河系中心、逐漸遠離且環(huán)繞中心的帶狀區(qū)域（旋臂）。太陽位于獵戶座旋臂內(nèi)側(cè)，距離銀河系中心約27,000光年。距離太陽最近的恒星是半人馬座的比鄰星，相距約4.27光年。地球是太陽系的一顆行星，地球到太陽的平均距離約1.5億千米，太陽光傳播到地球需要經(jīng)過8分鐘30秒。

從側(cè)方看的銀河系

從北銀極看的銀河系

Q2 由此看來，我們的地球、甚至是太陽系，在宇宙中都是微不足道的。宇宙的基本結(jié)構(gòu)單元是星系，星系的存在和分布反映了宇宙整體結(jié)構(gòu)的基本特征，星系的結(jié)構(gòu)、性質(zhì)及其形成和演化反映了宇宙整體的變化規(guī)律，請具體講講星系研究的重要性？

A 星系是宇宙的基本結(jié)構(gòu)單元。闡釋星系的集成歷史，理解星系形態(tài)、結(jié)構(gòu)和性質(zhì)的多樣性和復雜性，并發(fā)現(xiàn)其中的規(guī)律，這些是21世紀天體物理學研究的重大基礎性問題。目前，天文學家普遍認為暗能量和冷暗物質(zhì)主導著宇宙的結(jié)構(gòu)形成，宇宙的大尺度結(jié)構(gòu)，包括星系本身，是通過并合吸積較小尺度結(jié)構(gòu)，自下而上逐級增長而形成的。盡管上述觀點得到一些觀測和數(shù)值模擬結(jié)果的支持，但目前對影響宇宙結(jié)構(gòu)形成演化的各種復雜天體物理過程知之甚少。為此，天文學家既需要對可分辨其組成天體（恒星）的近鄰星系做精細觀測分析，也不可避免地需要對大量遙遠星系做較為粗略的統(tǒng)計分析，來揭示星系集成的歷史以及天體物理過程和規(guī)律。這些對深入認識星系形成和演化、對進一步認識宇宙大尺度結(jié)構(gòu)及其演化具有重要意義。

Q3 我們處在銀河系之中，按常理說，要理解星系的演化規(guī)律，可以首先找出銀河系的演化規(guī)律，那么如何來研究銀河系呢？

A 銀河系是一個正常大小的典型盤狀星系（旋渦星系）。銀盤繞銀心旋轉(zhuǎn)，富含氣體塵埃且比較年輕。銀暈比較年老且其中的恒星無規(guī)律地運動。由于距離比較近，銀河系的恒星大多可以被逐一分辨開來，并可在三維空間里研究恒星的分布、運動和化學組成。在宇宙中銀河系是唯一可以被這樣細致研究的旋渦星系。然而，由于觀測者身處其中，銀河系數(shù)千億顆恒星散布在整個天球上。同時，大量觀測證據(jù)表明，銀河系仍處于集成過程中，還在不斷吸積、吞并外來（矮）星系和星團。因此，要全面揭示銀河系的三維空間結(jié)構(gòu)、運動變化，以及星族和星際介質(zhì)的化學和動力學性質(zhì)，需要開展覆蓋全天的大規(guī)模光譜巡天觀測。

Q4 在巡天觀測方面，國外天文學家的研究情況如何？

A 近十年來，國外已經(jīng)相繼開展了一些大型巡天項目，它們深化了人們對銀河系的認識。其中最有代表性的是美國的SDSS（斯隆巡天）項目。該項目利用位于美國新墨西哥州阿帕奇點天文臺（APO，A pache Poi nt Observatory）的2.5米寬視角光學望遠鏡，完成了全天約1/3天區(qū)（主要是高銀緯區(qū)域）近14555平方度、極限星等約22等、光學全波段的CCD五色測光。它獲得了史無前例的海量高精度測光數(shù)據(jù)，約百萬個星系的光學光譜以及近百萬顆銀河系恒星的光學光譜，認證了數(shù)十萬顆類星體，取得了一系列重要科學成果。如在銀河系研究方面，發(fā)現(xiàn)了一批銀河系矮星系以及銀河系吸積并合矮星系后殘留下的潮汐碎片（星流）等子結(jié)構(gòu)。SDSS以高銀緯為主要觀測天區(qū)、以河外星系和類星體為主要觀測對象，但是，它對銀河系主結(jié)構(gòu)即銀盤的觀測采樣則微乎其微。

Gaia（蓋亞）天文衛(wèi)星美術(shù)圖

另外還有RAVE（RAdi al Vel oci t y Experi ment）光譜巡天項目，它所使用的觀測設備為口徑1.2米英國施密特望遠鏡（UK Schmidt Tele scope），位于澳大利亞英澳天文臺（Anglo-Aust ralian Obse rvat ory）。它的科學目標是獲得南天百萬恒星的視向速度，用以研究銀河系的結(jié)構(gòu)和動力學演化。不過，它的觀測目標限于9～12等的亮星，且天區(qū)范圍限于銀緯大于25°的高緯度區(qū)域。SDSS III期巡天子項目APO GEE（Apache Point O bservat ory Galact ic Evolut ion Experi ment，阿帕奇點天文臺星系演化實驗）通過獲取1 0萬顆晚型巨星高分辨率近紅外光譜，研究銀河系的動力學結(jié)構(gòu)和化學元素含量的變化歷史。HE RM ES（The H igh Efficiency and Resolution M ult i-Ele ment Spect rograph，高效高分辨多元光譜儀）巡天項目，將利用位于澳洲天文臺（Australian Astronomical O bserva t ory，AAO）的3.9米英澳望遠鏡（Anglo-Australi an Telescop e，AAT）對有限數(shù)目的亮星開展高分辨光譜觀測，獲取詳細的恒星元素含量信息，研究銀河系的恒星形成和化學演化歷史。

201 3年1 2月1 9日，歐空局新一代天體測量衛(wèi)星Gaia（蓋亞衛(wèi)星）發(fā)射成功，它將對銀河系整個恒星星族進行普查，對全天開展多歷元的測光和低分辨光譜觀測。Gai a的位置測量精度高達1 0微角秒，除測量1 0億顆恒星的三角視差（表示距離）和自行（橫向位置變化）外，還將對少部分恒星的視向速度和恒星的大氣參數(shù)進行測量。由此看來，通過巡天觀測獲知銀河系的結(jié)構(gòu)與演化，是目前全球天文領(lǐng)域的熱門研究課題，形成了群雄逐鹿的局面。

Q5 國際上已經(jīng)有許多強有力的研究團隊在進行銀河系的巡天研究，基于何種因素您也帶領(lǐng)一支中國研究隊伍進行這方面的研究？

A 雖然相繼開展的上述巡天項目深化了我們對銀河系的認識，然而在2020年前后Gai a衛(wèi)星釋放數(shù)據(jù)之前，國際上還沒有一個針對銀河系銀盤的連續(xù)天區(qū)覆蓋、統(tǒng)計上完備的大規(guī)模光譜巡天，尤其考慮到銀盤是銀河系的標志性主結(jié)構(gòu)。事實上，開展覆蓋全天、針對數(shù)千億計的銀河系所有恒星的光譜巡天是一項超出現(xiàn)有所有天文設備能力、難以實現(xiàn)的浩大工程。再加上銀河系結(jié)構(gòu)本身在觀測方向上的不均勻性，使得巡天觀測異常復雜和艱巨。銀河系大規(guī)模系統(tǒng)光譜巡天的缺失，使得關(guān)于銀河系形成和演化的一些重要基本問題至今仍無定論。例如，從銀暈到銀盤的形成過程是否連續(xù)？薄盤和厚盤是兩個完全不同的子結(jié)構(gòu)，還是同一成分連續(xù)演化過程中呈現(xiàn)的兩種極端情況？等等?？紤]到這些不足和疑問，中國天文學家有必要在這方面開展獨立的創(chuàng)新性研究。

郭守敬望遠鏡觀測的反銀心方向天區(qū)（黃線內(nèi)）

Q6 中國天文學家進行銀河系的巡天研究具有什么得天獨厚的優(yōu)勢嗎？

A 我國的郭守敬望遠鏡（LAMOST望遠鏡）是一架新型大視場兼大口徑光學天文望遠鏡，于2009年通過國家工程竣工驗收，它是我國自主研制的具有國際競爭力的天文大科學裝置?？⒐ず箝_展了為期兩年的性能測試、優(yōu)化和科學觀測試運行，其間解決了4000根光纖的自動定位問題，定位精度誤差整體小于1角秒，基本達到了觀測需求。郭守敬望遠鏡1 6臺攝譜儀的光譜分辨本領(lǐng)與美國SDSS（斯?。┭蔡煸O備相近，這對恒星視向速度、有效溫度、表面重力加速度和金屬含量等的準確測量意義重大。

郭守敬望遠鏡能夠同時獲取最高4000個分布在20平方度范圍里的天體光譜，光譜覆蓋全光學波段380～900納米。從光譜獲取率來看，它是美國SDSS（斯?。┭蔡霫期和II期的6.25倍，是SDSS巡天III期的4倍。受興隆臺址天文觀測條件的影響，郭守敬望遠鏡開展大規(guī)模光譜巡天所能達到的極限星等雖然遜于SDSS，但仍比歐洲空間衛(wèi)星Gaia（蓋亞）的分光觀測極限星等深至少2個星等，可達到1 7.8。由此可見，我國的郭守敬望遠鏡是目前世界上最先進的為數(shù)不多的幾個同類望遠鏡之一，在某些方面甚至是其他幾個望遠鏡所無法匹敵的。它為我國開展銀河系大規(guī)模光譜巡天，研究銀河系的結(jié)構(gòu)、形成和演化奠定了強有力的基礎，為我國在這方面研究占據(jù)世界一席之地提供了難得的歷史機遇。

Q7 科學研究是在前人工作的基礎上、循序漸進的過程，我國科學家之前在這方面的研究情況如何？

盱眙觀測站1.04/1.20米施密特望遠鏡拍攝的星團M35和NGC2158

A 上世紀90年代，中科院北京天文臺（國家天文臺前身）在興隆觀測站建立起60/90厘米施密特望遠鏡BATC多色測光系統(tǒng)，對多個小天區(qū)進行多色測光，取得了一系列研究成果，并培養(yǎng)了一批實測天體物理學家。2009年10月～201 1年3月，利用紫金山天文臺盱眙觀測站的1.04/1.20米施密特望遠鏡，我國天文學家完成了首個大天區(qū)CCD數(shù)字多波段測光巡天。巡天覆蓋銀河系反銀心方向約6000平方度天區(qū)以及M31/M33（即仙女座大星云和三角星系，它們和銀河系一起是組成本星系群的三個主星系）近鄰約1000平方度的天區(qū)， 取得了約1億顆恒星的位置和測光數(shù)據(jù)，定位精度0.1角秒，測光精度2%，極限星等19等。盱眙施密特測光巡天計劃的完成為郭守敬望遠鏡光譜巡天的選源奠定了基礎。

另外，中美合作利用美國St eward天文臺的2.3米Bok望遠鏡對南銀冠3000多平方度天區(qū)開展CCD測光巡天，為多波段光譜證認和銀河系結(jié)構(gòu)研究提供了更加豐富的選源數(shù)據(jù)。為檢驗國內(nèi)外天文學家提出的各種光譜巡天規(guī)劃，201 1年秋至201 2年春，郭守敬望遠鏡開展了為期一年的先導巡天，得出它的較為實際的光譜巡天極限星等數(shù)值，這是開展大天區(qū)巡天觀測的前提。

近幾年，我們利用光學、紅外和紫外等多波段數(shù)據(jù)，在郭守敬望遠鏡測試觀測和先導巡天階段，發(fā)現(xiàn)了約1 000個類星體、數(shù)十個仙女座大星云中的行星狀星云、數(shù)百個白矮星及白矮星雙星，以及一個新的超高速恒星（即其運動速度達到銀河系逃逸速度，一般認為它們極高的速度起源于銀河系中心超大質(zhì)量黑洞的作用）。這些充分顯示了開展郭守敬望遠鏡多波段天體證認的有效性、必要性和威力，為正式巡天階段發(fā)現(xiàn)大量特殊天體打下了基礎。

Q8 你們團隊的銀河系巡天研究，在銀河系不同結(jié)構(gòu)覆蓋、銀河系體積范圍囊括、高精度物理參數(shù)測量和采樣完備性方面，在國際上都前所未有。你們要解決的銀河系研究課題有哪些？

五星系圖，其中黃色的NGC 7319、7318A、7318B和7317是發(fā)生相互作用的四個星系，距離我們約3億光年，藍色的NGC7320距離我們只有4千萬光年

A 利用郭守敬望遠鏡獲取的海量光譜數(shù)據(jù)，再輔以國內(nèi)外其他設備觀測資料，我們關(guān)注的關(guān)鍵科學問題主要有五方面：

Q9 這項研究是一個宏大的科學項目，它對我國天文學發(fā)展定會有巨大的促進作用，請講講它的重要意義？

A 以國家大科學裝置郭守敬望遠鏡為依托，在銀河系形成和演化研究領(lǐng)域中，對若干極具挑戰(zhàn)性的科學問題進行大樣本創(chuàng)新研究，以取得獨特的有重要國際影響的系列研究成果。該項目充分發(fā)揮郭守敬望遠鏡在光譜獲取率方面的優(yōu)勢，開展大樣本多波段天體證認，能使我國在這方面迅速達到國際先進水平。同時該項目可以培養(yǎng)面向國家重大科學工程和國際重大科學問題的研究隊伍和后備人才。Q10 您帶領(lǐng)的這項研究已經(jīng)被科技部國家重點基礎研究發(fā)

展計劃973計劃立項，整個研究團隊也來自高等學校和科研院所等多家單位，請介紹一下您的研究團隊？

A 我（劉曉為教授）擔任本研究項目的首席科學家，下設五個課題組及一個跨課題“巡天樣本工作組”，研究成員來自北京大學、國家天文臺、上海天文臺、北京師范大學、上海師范大學、云南天文臺及河北師范大學等單位，共30人。課題1：銀盤結(jié)構(gòu)、星族及其化學和動力學研究，負責人為北京大學劉曉為教授；課題2：星際介質(zhì)和疏散星團研究，負責人為上海天文臺侯金良研究員；課題3：銀暈結(jié)構(gòu)及性質(zhì)研究，負責人為國家天文臺鄧李才研究員；課題4：銀河系引力勢與物質(zhì)分布研究，負責人為國家天文臺趙永恒研究員；課題5：多波段天體光譜證認研究，負責人為北京大學吳學兵教授。我們期望也有信心出色地完成該重大研究項目，為中國天文學的發(fā)展做出貢獻。

超鏈接：

銀道坐標系：

在討論太陽系內(nèi)行星的位置和運動時，為便于描述，以地球繞太陽運轉(zhuǎn)的軌道面（黃道）為參考面建立坐標系為黃道坐標系。同樣，在研究銀河系內(nèi)恒星的空間分布和運動時，在天球上沿銀河方向（非常接近中線）畫出的大圓（即銀道）做參考面，建立的坐標系為銀道坐標系。規(guī)定銀緯0°～90°，向北為正，向南為負。銀經(jīng)自銀河系中心方向算起，繞逆時針方向從0°～360°。這樣就有了北銀極、南銀極、北銀冠和南銀冠等名稱。

（責任編輯 張長喜）