“中国天眼”窥银河访北京大学刘晓为教授

□ 采访整理 张长喜

“中国天眼”窥银河访北京大学刘晓为教授

□ 采访整理 张长喜

刘晓为教授简介：

刘晓为教授，长江学者、国家杰出青年科学基金获得者。1986年毕业于北京大学地球物理系天体物理专业，获理学学士学位。同年入中国科学院北京天文台攻读博士学位，1989年赴德国慕尼黑欧洲南半球天文台学习，1992年完成博士论文回国，获理学博士学位。1993年赴英国伦敦大学学院物理天文系，从事光致电离气体星云方面的研究，1999年成为该系高级研究员。现任北京大学物理学院天文学系长江特聘教授、国家重点基础研究发展计划（973计划）“基于LAMOST大科学装置的银河系研究及多波段天体证认”项目首席科学家、国务院学位委员会物理天文学科评议组成员、国际天文学联合会（IAU）副主席、中国天文学会常务理事、郭守敬望远镜科学委员会成员。发表科研论文（SCI）100余篇，引用2800余次。

夏季农村的夜晚，天空中南北走向的茫茫天河，是童年抹不去的记忆。长者说，天河里有水，把牛郎和织女分隔在东西两岸。长大后，上了小学、中学，知道月亮是地球的卫星，太阳是一颗恒星，太阳系由许多大行星、小行星、流星和彗星组成，天上的那条河是银河系，太阳系就在银河系内。后来加入了天文学的队伍，了解了更多宇宙的奥秘。对于人类的活动空间来说，尽管银河系已是非常巨大，但它只是宇宙的微小部分，在我们可观测的宇宙中，有1000亿个银河系这样大小的星系。认识星系的结构和演化是了解整个宇宙的基础。银河系真实的三维结构是怎样的？它是如何形成的，又将如何演化下去？等等，关于银河系仍然有许多待解之谜。北京大学天文学系及科维理天文与天体物理研究所教授刘晓为正带领国内一批天文学家探索有关银河系的疑难问题。

Q1 即使面对星空，人们也难以想像宇宙有多么巨大，请您介绍一下宇宙的大小与结构？A 宇宙有多大？它是什么样子的？它有没有边缘？自人类诞生以来，这些一直是困扰着人类的难题。古今中外科学家和哲学家曾经给出过种种说法，但都不是严格的科学结论。现代天文学家依靠望远镜观测宇宙，依靠物理规律理解宇宙，努力寻找这些问题的答案。按照近年来最新观测结果，天文学家观测到的最远天体距离我们约130～140亿光年。在可观测宇宙范围内，大约有10 00亿个星系，过去天文学家称它们为宇宙岛（宇宙大海中的岛屿），银河系就是其中之一。

银河系由中心核球、盘和球状晕和暗物质晕构成。一般认为，银盘包括薄盘和厚盘两个结构子系，厚盘的径向尺度较小，使整个银盘看起来中间厚、外围薄。银河系含有10 00～40 00亿颗恒星。银河系中恒星的分布并不均匀，它们主要分布在银盘和中心核球区。新近形成的年轻恒星则集中在银盘内几条起始于银河系中心、逐渐远离且环绕中心的带状区域（旋臂）。太阳位于猎户座旋臂内侧，距离银河系中心约27,000光年。距离太阳最近的恒星是半人马座的比邻星，相距约4.27光年。地球是太阳系的一颗行星，地球到太阳的平均距离约1.5亿千米，太阳光传播到地球需要经过8分钟30秒。

从侧方看的银河系

从北银极看的银河系

Q2 由此看来，我们的地球、甚至是太阳系，在宇宙中都是微不足道的。宇宙的基本结构单元是星系，星系的存在和分布反映了宇宙整体结构的基本特征，星系的结构、性质及其形成和演化反映了宇宙整体的变化规律，请具体讲讲星系研究的重要性？

A 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、结构和性质的多样性和复杂性，并发现其中的规律，这些是21世纪天体物理学研究的重大基础性问题。目前，天文学家普遍认为暗能量和冷暗物质主导着宇宙的结构形成，宇宙的大尺度结构，包括星系本身，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。尽管上述观点得到一些观测和数值模拟结果的支持，但目前对影响宇宙结构形成演化的各种复杂天体物理过程知之甚少。为此，天文学家既需要对可分辨其组成天体（恒星）的近邻星系做精细观测分析，也不可避免地需要对大量遥远星系做较为粗略的统计分析，来揭示星系集成的历史以及天体物理过程和规律。这些对深入认识星系形成和演化、对进一步认识宇宙大尺度结构及其演化具有重要意义。

Q3 我们处在银河系之中，按常理说，要理解星系的演化规律，可以首先找出银河系的演化规律，那么如何来研究银河系呢？

A 银河系是一个正常大小的典型盘状星系（旋涡星系）。银盘绕银心旋转，富含气体尘埃且比较年轻。银晕比较年老且其中的恒星无规律地运动。由于距离比较近，银河系的恒星大多可以被逐一分辨开来，并可在三维空间里研究恒星的分布、运动和化学组成。在宇宙中银河系是唯一可以被这样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整个天球上。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。因此，要全面揭示银河系的三维空间结构、运动变化，以及星族和星际介质的化学和动力学性质，需要开展覆盖全天的大规模光谱巡天观测。

Q4 在巡天观测方面，国外天文学家的研究情况如何？

A 近十年来，国外已经相继开展了一些大型巡天项目，它们深化了人们对银河系的认识。其中最有代表性的是美国的SDSS（斯隆巡天）项目。该项目利用位于美国新墨西哥州阿帕奇点天文台（APO，A pache Poi nt Observatory）的2.5米宽视角光学望远镜，完成了全天约1/3天区（主要是高银纬区域）近14555平方度、极限星等约22等、光学全波段的CCD五色测光。它获得了史无前例的海量高精度测光数据，约百万个星系的光学光谱以及近百万颗银河系恒星的光学光谱，认证了数十万颗类星体，取得了一系列重要科学成果。如在银河系研究方面，发现了一批银河系矮星系以及银河系吸积并合矮星系后残留下的潮汐碎片（星流）等子结构。SDSS以高银纬为主要观测天区、以河外星系和类星体为主要观测对象，但是，它对银河系主结构即银盘的观测采样则微乎其微。

Gaia（盖亚）天文卫星美术图

另外还有RAVE（RAdi al Vel oci t y Experi ment）光谱巡天项目，它所使用的观测设备为口径1.2米英国施密特望远镜（UK Schmidt Tele scope），位于澳大利亚英澳天文台（Anglo-Aust ralian Obse rvat ory）。它的科学目标是获得南天百万恒星的视向速度，用以研究银河系的结构和动力学演化。不过，它的观测目标限于9～12等的亮星，且天区范围限于银纬大于25°的高纬度区域。SDSS III期巡天子项目APO GEE（Apache Point O bservat ory Galact ic Evolut ion Experi ment，阿帕奇点天文台星系演化实验）通过获取1 0万颗晚型巨星高分辨率近红外光谱，研究银河系的动力学结构和化学元素含量的变化历史。HE RM ES（The H igh Efficiency and Resolution M ult i-Ele ment Spect rograph，高效高分辨多元光谱仪）巡天项目，将利用位于澳洲天文台（Australian Astronomical O bserva t ory，AAO）的3.9米英澳望远镜（Anglo-Australi an Telescop e，AAT）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含量信息，研究银河系的恒星形成和化学演化历史。

201 3年1 2月1 9日，欧空局新一代天体测量卫星Gaia（盖亚卫星）发射成功，它将对银河系整个恒星星族进行普查，对全天开展多历元的测光和低分辨光谱观测。Gai a的位置测量精度高达1 0微角秒，除测量1 0亿颗恒星的三角视差（表示距离）和自行（横向位置变化）外，还将对少部分恒星的视向速度和恒星的大气参数进行测量。由此看来，通过巡天观测获知银河系的结构与演化，是目前全球天文领域的热门研究课题，形成了群雄逐鹿的局面。

Q5 国际上已经有许多强有力的研究团队在进行银河系的巡天研究，基于何种因素您也带领一支中国研究队伍进行这方面的研究？

A 虽然相继开展的上述巡天项目深化了我们对银河系的认识，然而在2020年前后Gai a卫星释放数据之前，国际上还没有一个针对银河系银盘的连续天区覆盖、统计上完备的大规模光谱巡天，尤其考虑到银盘是银河系的标志性主结构。事实上，开展覆盖全天、针对数千亿计的银河系所有恒星的光谱巡天是一项超出现有所有天文设备能力、难以实现的浩大工程。再加上银河系结构本身在观测方向上的不均匀性，使得巡天观测异常复杂和艰巨。银河系大规模系统光谱巡天的缺失，使得关于银河系形成和演化的一些重要基本问题至今仍无定论。例如，从银晕到银盘的形成过程是否连续？薄盘和厚盘是两个完全不同的子结构，还是同一成分连续演化过程中呈现的两种极端情况？等等。考虑到这些不足和疑问，中国天文学家有必要在这方面开展独立的创新性研究。

郭守敬望远镜观测的反银心方向天区（黄线内）

Q6 中国天文学家进行银河系的巡天研究具有什么得天独厚的优势吗？

A 我国的郭守敬望远镜（LAMOST望远镜）是一架新型大视场兼大口径光学天文望远镜，于2009年通过国家工程竣工验收，它是我国自主研制的具有国际竞争力的天文大科学装置。竣工后开展了为期两年的性能测试、优化和科学观测试运行，其间解决了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。郭守敬望远镜1 6台摄谱仪的光谱分辨本领与美国SDSS（斯隆）巡天设备相近，这对恒星视向速度、有效温度、表面重力加速度和金属含量等的准确测量意义重大。

郭守敬望远镜能够同时获取最高4000个分布在20平方度范围里的天体光谱，光谱覆盖全光学波段380～900纳米。从光谱获取率来看，它是美国SDSS（斯隆）巡天I期和II期的6.25倍，是SDSS巡天III期的4倍。受兴隆台址天文观测条件的影响，郭守敬望远镜开展大规模光谱巡天所能达到的极限星等虽然逊于SDSS，但仍比欧洲空间卫星Gaia（盖亚）的分光观测极限星等深至少2个星等，可达到1 7.8。由此可见，我国的郭守敬望远镜是目前世界上最先进的为数不多的几个同类望远镜之一，在某些方面甚至是其他几个望远镜所无法匹敌的。它为我国开展银河系大规模光谱巡天，研究银河系的结构、形成和演化奠定了强有力的基础，为我国在这方面研究占据世界一席之地提供了难得的历史机遇。

Q7 科学研究是在前人工作的基础上、循序渐进的过程，我国科学家之前在这方面的研究情况如何？

盱眙观测站1.04/1.20米施密特望远镜拍摄的星团M35和NGC2158

A 上世纪90年代，中科院北京天文台（国家天文台前身）在兴隆观测站建立起60/90厘米施密特望远镜BATC多色测光系统，对多个小天区进行多色测光，取得了一系列研究成果，并培养了一批实测天体物理学家。2009年10月～201 1年3月，利用紫金山天文台盱眙观测站的1.04/1.20米施密特望远镜，我国天文学家完成了首个大天区CCD数字多波段测光巡天。巡天覆盖银河系反银心方向约6000平方度天区以及M31/M33（即仙女座大星云和三角星系，它们和银河系一起是组成本星系群的三个主星系）近邻约1000平方度的天区， 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。盱眙施密特测光巡天计划的完成为郭守敬望远镜光谱巡天的选源奠定了基础。

另外，中美合作利用美国St eward天文台的2.3米Bok望远镜对南银冠3000多平方度天区开展CCD测光巡天，为多波段光谱证认和银河系结构研究提供了更加丰富的选源数据。为检验国内外天文学家提出的各种光谱巡天规划，201 1年秋至201 2年春，郭守敬望远镜开展了为期一年的先导巡天，得出它的较为实际的光谱巡天极限星等数值，这是开展大天区巡天观测的前提。

近几年，我们利用光学、红外和紫外等多波段数据，在郭守敬望远镜测试观测和先导巡天阶段，发现了约1 000个类星体、数十个仙女座大星云中的行星状星云、数百个白矮星及白矮星双星，以及一个新的超高速恒星（即其运动速度达到银河系逃逸速度，一般认为它们极高的速度起源于银河系中心超大质量黑洞的作用）。这些充分显示了开展郭守敬望远镜多波段天体证认的有效性、必要性和威力，为正式巡天阶段发现大量特殊天体打下了基础。

Q8 你们团队的银河系巡天研究，在银河系不同结构覆盖、银河系体积范围囊括、高精度物理参数测量和采样完备性方面，在国际上都前所未有。你们要解决的银河系研究课题有哪些？

五星系图，其中黄色的NGC 7319、7318A、7318B和7317是发生相互作用的四个星系，距离我们约3亿光年，蓝色的NGC7320距离我们只有4千万光年

A 利用郭守敬望远镜获取的海量光谱数据，再辅以国内外其他设备观测资料，我们关注的关键科学问题主要有五方面：

Q9 这项研究是一个宏大的科学项目，它对我国天文学发展定会有巨大的促进作用，请讲讲它的重要意义？

A 以国家大科学装置郭守敬望远镜为依托，在银河系形成和演化研究领域中，对若干极具挑战性的科学问题进行大样本创新研究，以取得独特的有重要国际影响的系列研究成果。该项目充分发挥郭守敬望远镜在光谱获取率方面的优势，开展大样本多波段天体证认，能使我国在这方面迅速达到国际先进水平。同时该项目可以培养面向国家重大科学工程和国际重大科学问题的研究队伍和后备人才。Q10 您带领的这项研究已经被科技部国家重点基础研究发

展计划973计划立项，整个研究团队也来自高等学校和科研院所等多家单位，请介绍一下您的研究团队？

A 我（刘晓为教授）担任本研究项目的首席科学家，下设五个课题组及一个跨课题“巡天样本工作组”，研究成员来自北京大学、国家天文台、上海天文台、北京师范大学、上海师范大学、云南天文台及河北师范大学等单位，共30人。课题1：银盘结构、星族及其化学和动力学研究，负责人为北京大学刘晓为教授；课题2：星际介质和疏散星团研究，负责人为上海天文台侯金良研究员；课题3：银晕结构及性质研究，负责人为国家天文台邓李才研究员；课题4：银河系引力势与物质分布研究，负责人为国家天文台赵永恒研究员；课题5：多波段天体光谱证认研究，负责人为北京大学吴学兵教授。我们期望也有信心出色地完成该重大研究项目，为中国天文学的发展做出贡献。

超链接：

银道坐标系：

在讨论太阳系内行星的位置和运动时，为便于描述，以地球绕太阳运转的轨道面（黄道）为参考面建立坐标系为黄道坐标系。同样，在研究银河系内恒星的空间分布和运动时，在天球上沿银河方向（非常接近中线）画出的大圆（即银道）做参考面，建立的坐标系为银道坐标系。规定银纬0°～90°，向北为正，向南为负。银经自银河系中心方向算起，绕逆时针方向从0°～360°。这样就有了北银极、南银极、北银冠和南银冠等名称。

（责任编辑 张长喜）