LAMOST星系光譜疊加成分分析：方法、應(yīng)用與宇宙探索新視野一、引言1.1LAMOST的發(fā)展歷程與成就在天文學(xué)領(lǐng)域，對宇宙的探索始終依賴于先進(jìn)的觀測設(shè)備，大天區(qū)面積多目標(biāo)光纖光譜天文望遠(yuǎn)鏡（LargeSkyAreaMulti-ObjectFibreSpectroscopicTelescope，LAMOST）的出現(xiàn)，為人類開啟了一扇全新的宇宙觀測之窗。20世紀(jì)80年代，我國天文學(xué)界面臨著設(shè)備落后、觀測能力受限的困境，國際上大型望遠(yuǎn)鏡不斷涌現(xiàn)，而我國在大視場與大口徑望遠(yuǎn)鏡技術(shù)方面存在明顯不足，望遠(yuǎn)鏡的大口徑和大視場無法兼得的難題亟待解決。在此背景下，1993年4月，以王綬琯、蘇定強(qiáng)為首的研究集體提出了LAMOST項(xiàng)目，并建議將其作為中國天文重大觀測設(shè)備列入“九五”期間國家重大科學(xué)工程計(jì)劃。LAMOST的建設(shè)方案經(jīng)歷了漫長而曲折的論證過程，先后經(jīng)過多次學(xué)術(shù)討論，三易藍(lán)圖。從陳建生主持的“150/220厘米中國施密特望遠(yuǎn)鏡”的論證，到蘇定強(qiáng)設(shè)計(jì)的“子午裝置—焦面跟蹤”的施密特型望遠(yuǎn)鏡，再到最終方案中蘇定強(qiáng)“主動(dòng)反射板”畫龍點(diǎn)睛的一筆，凝聚了眾多科學(xué)家的智慧與心血。1994年7月，兩位青年科學(xué)家褚耀泉、崔向群在英國的一次國際會(huì)議上報(bào)告了LAMOST建設(shè)方案，引起了強(qiáng)烈反響，這標(biāo)志著LAMOST從一個(gè)國內(nèi)的設(shè)想走向國際視野。1996年7月，國家科技領(lǐng)導(dǎo)小組決策啟動(dòng)國家重大科學(xué)工程計(jì)劃，LAMOST列入首批啟動(dòng)項(xiàng)目；2001年8月，LAMOST項(xiàng)目批準(zhǔn)開工建設(shè)，2008年8月全部項(xiàng)目建設(shè)任務(wù)完成；2008年10月16日在國家天文臺(tái)興隆觀測基地舉行LAMOST落成典禮，2009年6月LAMOST項(xiàng)目順利通過國家驗(yàn)收，這一系列的時(shí)間節(jié)點(diǎn)見證了LAMOST從無到有的艱辛歷程。自建成以來，LAMOST在獲取光譜數(shù)據(jù)方面不斷創(chuàng)造里程碑。2012年9月28日，LAMOST正式開啟了第一期五年巡天，在巡天第七年，其獲取光譜數(shù)據(jù)量達(dá)到約1125萬，成為世界上第一個(gè)獲取光譜數(shù)突破千萬量級(jí)的光譜巡天項(xiàng)目，這一成就使LAMOST在國際光譜巡天領(lǐng)域嶄露頭角，標(biāo)志著人類對宇宙的觀測進(jìn)入了一個(gè)新的階段，能夠以前所未有的規(guī)模和精度獲取天體的光譜信息。2023年3月31日，中國科學(xué)院國家天文臺(tái)發(fā)布了LAMOST自先導(dǎo)巡天至2022年6月觀測獲取的光譜數(shù)據(jù)共2229萬條，其中，中、低分辨率光譜均突破千萬，LAMOST成為世界上首個(gè)發(fā)布光譜數(shù)突破兩千萬的巡天項(xiàng)目。其發(fā)布的光譜數(shù)和恒星參數(shù)星表數(shù)量已連續(xù)十年穩(wěn)居世界第一，被譽(yù)為“光譜之王”，這不僅體現(xiàn)了LAMOST在技術(shù)上的領(lǐng)先優(yōu)勢，更表明其在推動(dòng)天文學(xué)發(fā)展方面發(fā)揮著不可替代的作用。在科研成果方面，LAMOST取得了豐碩的成果，推動(dòng)了多個(gè)天文學(xué)領(lǐng)域的重要發(fā)現(xiàn)。在銀河系結(jié)構(gòu)與演化研究中，借助LAMOST海量的光譜數(shù)據(jù)，天文學(xué)家得以繪制更加精確的銀河系“畫像”，發(fā)現(xiàn)銀河系比原來認(rèn)識(shí)的增大了一倍，改寫了銀河系暈的面貌，并精確稱量出銀河系的“體重”。通過對恒星光譜的分析，獲取了大樣本恒星年齡信息，揭示了銀河系的“成長史”，為研究銀河系的形成和演化提供了關(guān)鍵線索。在恒星物理研究領(lǐng)域，LAMOST助力科學(xué)家發(fā)現(xiàn)了目前人類已知鋰元素豐度最高的恒星，通過監(jiān)測恒星“心電圖”發(fā)現(xiàn)絕大多數(shù)富鋰巨星的“真身”是紅團(tuán)簇星，還發(fā)現(xiàn)了類太陽恒星經(jīng)過氦閃普遍可以產(chǎn)生鋰元素的機(jī)制，這些發(fā)現(xiàn)深化了人類對恒星演化過程的理解。在特殊天體搜尋方面，LAMOST也發(fā)揮了重要作用，例如發(fā)現(xiàn)了銀河系中自轉(zhuǎn)最快的恒星，以及為銀河系“星際移民”的研究提供了新線索，幫助天文學(xué)家揭開了銀河系內(nèi)重元素（金、銪、鈾等）超量恒星的“身世”之謎。此外，基于LAMOST獲取的銀河系恒星的精確參數(shù)和恒星類型多樣性，研究人員結(jié)合Gaia衛(wèi)星數(shù)據(jù)，構(gòu)建了世界上第一個(gè)億星級(jí)消光數(shù)據(jù)庫，發(fā)布了首幅覆蓋全天的銀河系三維塵埃消光規(guī)律圖，首次實(shí)現(xiàn)了銀河系三維塵埃分布與消光曲線的同步測繪，為天文觀測提供了重要參考，新觀測的消光分布特征還挑戰(zhàn)了傳統(tǒng)的塵埃演化理論。1.2研究LAMOST星系光譜疊加成分分析的意義對LAMOST星系光譜疊加成分進(jìn)行分析，在天文學(xué)研究領(lǐng)域具有舉足輕重的地位，為探索宇宙奧秘提供了關(guān)鍵的線索與深入的見解。在理解星系演化方面，星系光譜疊加成分分析猶如一把鑰匙，開啟了洞察星系漫長演化歷程的大門。星系并非靜態(tài)存在，而是在數(shù)十億年的時(shí)間里經(jīng)歷著復(fù)雜的變化，從早期的物質(zhì)聚集、恒星形成，到后期的星系相互作用、結(jié)構(gòu)演變，每一個(gè)階段都在星系光譜中留下獨(dú)特的“指紋”。通過對LAMOST獲取的海量星系光譜進(jìn)行疊加和細(xì)致分析，天文學(xué)家能夠追蹤星系中恒星形成率隨時(shí)間的變化。例如，若光譜中顯示出大量年輕恒星的特征，意味著該星系在近期經(jīng)歷了較為活躍的恒星形成活動(dòng)；反之，若光譜特征以年老恒星為主，則暗示星系的恒星形成活動(dòng)在很久以前就已逐漸減弱。這對于構(gòu)建星系演化模型至關(guān)重要，有助于解釋不同類型星系（如橢圓星系、旋渦星系等）的形成機(jī)制和演化路徑，理解它們?yōu)楹螘?huì)呈現(xiàn)出如今的形態(tài)和結(jié)構(gòu)，以及它們在宇宙不同演化階段的角色和作用。在恒星形成研究中，LAMOST星系光譜疊加成分分析發(fā)揮著不可替代的作用。恒星誕生于星際氣體云的坍縮，其形成過程受到多種因素的影響，如氣體的密度、溫度、化學(xué)成分等，而這些因素都會(huì)反映在星系光譜中。通過分析光譜疊加成分，可以獲取星際介質(zhì)中氣體的溫度、密度和化學(xué)組成信息。高溫的氣體在光譜中會(huì)產(chǎn)生特定的發(fā)射線，低溫氣體則有不同的吸收特征，這些特征能夠幫助天文學(xué)家確定氣體是否處于適合恒星形成的狀態(tài)。通過對不同區(qū)域星系光譜的分析，還能了解恒星形成活動(dòng)在星系中的分布情況，研究恒星形成的觸發(fā)機(jī)制，究竟是星系內(nèi)部的引力不穩(wěn)定性，還是星系之間的相互作用等外部因素促使了恒星的誕生，為深入理解恒星形成的物理過程提供依據(jù)。宇宙化學(xué)元素分布的研究，也離不開對LAMOST星系光譜疊加成分的分析。宇宙中的元素是在恒星內(nèi)部通過核聚變反應(yīng)以及超新星爆發(fā)等劇烈天體物理過程產(chǎn)生的，不同類型的恒星和天體物理事件會(huì)產(chǎn)生不同種類和豐度的元素。通過對星系光譜疊加成分中各種元素譜線的分析，能夠精確測定星系中不同元素的豐度，繪制出宇宙化學(xué)元素的分布地圖。這不僅有助于研究宇宙中元素的起源和演化，還能揭示恒星與星際介質(zhì)之間的物質(zhì)交換過程。例如，通過對比不同星系或同一星系不同區(qū)域的元素豐度，可以發(fā)現(xiàn)某些元素在特定環(huán)境下的富集或虧損情況，從而推斷出這些區(qū)域的恒星形成歷史和物質(zhì)演化過程，為研究宇宙化學(xué)元素的循環(huán)和宇宙物質(zhì)的演化提供關(guān)鍵數(shù)據(jù)支持。二、LAMOST星系光譜數(shù)據(jù)獲取與特點(diǎn)2.1LAMOST光譜數(shù)據(jù)獲取方式LAMOST作為世界上光譜獲取能力最強(qiáng)的望遠(yuǎn)鏡之一，其獨(dú)特的觀測方式是實(shí)現(xiàn)大規(guī)模、高效率光譜數(shù)據(jù)采集的關(guān)鍵。LAMOST采用主動(dòng)光學(xué)技術(shù)，創(chuàng)新性地解決了望遠(yuǎn)鏡大口徑與大視場難以兼得的難題。其施密特改正鏡（副鏡）兼跟蹤反射鏡能夠連續(xù)改變鏡面的形狀，形成連續(xù)變化的反射式施密特系統(tǒng)，這一功能由主動(dòng)光學(xué)技術(shù)實(shí)時(shí)控制，保證了光學(xué)系統(tǒng)的高精度和高穩(wěn)定性，使LAMOST能夠在擁有大視場的同時(shí)，保持較高的觀測精度，為獲取星系光譜數(shù)據(jù)提供了良好的光學(xué)基礎(chǔ)。在光纖定位技術(shù)方面，LAMOST擁有4000根光纖并行可控的快速定位技術(shù)，這是其實(shí)現(xiàn)大規(guī)模光譜采集的核心技術(shù)之一。傳統(tǒng)的光譜望遠(yuǎn)鏡在同期觀測天體數(shù)量上存在很大限制，在LAMOST建成前夕，國際上同類設(shè)備一次最多能觀測640個(gè)天體，而LAMOST能夠在1.75米的焦面板上，通過自動(dòng)光纖定位系統(tǒng)在數(shù)分鐘內(nèi)將4000根光纖按星表位置精確定位，定位誤差不超過40微米。這一技術(shù)突破使得LAMOST可以同時(shí)對數(shù)千個(gè)天體進(jìn)行觀測，極大地提高了觀測效率，相比國際上常用的人工擺放光纖等做法，不僅節(jié)省了大量的時(shí)間和人力成本，還顯著提升了定位精度。在實(shí)際觀測過程中，LAMOST的觀測流程嚴(yán)謹(jǐn)且科學(xué)。首先，天文學(xué)家會(huì)根據(jù)研究目的和科學(xué)目標(biāo)，制定詳細(xì)的觀測計(jì)劃，確定觀測的天區(qū)和目標(biāo)天體。通過對星表的分析和篩選，選定需要觀測的星系目標(biāo)，將其坐標(biāo)等信息輸入到望遠(yuǎn)鏡的控制系統(tǒng)中。然后，LAMOST利用其自動(dòng)光纖定位系統(tǒng)，迅速將4000根光纖對準(zhǔn)選定的天體。在對準(zhǔn)過程中，光纖定位系統(tǒng)會(huì)不斷進(jìn)行精確調(diào)整，確保每根光纖都能準(zhǔn)確地接收目標(biāo)天體的光線。當(dāng)光纖對準(zhǔn)目標(biāo)后，望遠(yuǎn)鏡開始進(jìn)行觀測，天體的光線通過施密特改正鏡和球面主鏡的反射，聚焦到焦面上的光纖中，再傳輸?shù)?6臺(tái)光譜儀中進(jìn)行分光和探測，將天體的光信號(hào)轉(zhuǎn)化為光譜數(shù)據(jù)。在觀測過程中，望遠(yuǎn)鏡的控制系統(tǒng)會(huì)實(shí)時(shí)監(jiān)測觀測條件，如天氣、視寧度等，根據(jù)實(shí)際情況對觀測參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，以保證獲取高質(zhì)量的光譜數(shù)據(jù)。觀測結(jié)束后，獲取的原始光譜數(shù)據(jù)會(huì)被傳輸?shù)綌?shù)據(jù)處理中心，進(jìn)行后續(xù)的數(shù)據(jù)處理和分析工作，包括數(shù)據(jù)校準(zhǔn)、波長定標(biāo)、去除噪聲等，以得到可供科學(xué)研究使用的高質(zhì)量光譜數(shù)據(jù)。2.2LAMOST光譜數(shù)據(jù)的特點(diǎn)LAMOST光譜數(shù)據(jù)具有一系列獨(dú)特的特點(diǎn)，這些特點(diǎn)使其在星系光譜成分分析中發(fā)揮著不可替代的作用，同時(shí)也為相關(guān)研究帶來了新的機(jī)遇與挑戰(zhàn)。LAMOST光譜數(shù)據(jù)的大規(guī)模性是其顯著特點(diǎn)之一。截至2023年3月31日，LAMOST已發(fā)布光譜數(shù)據(jù)共2229萬條，這一龐大的數(shù)據(jù)量為星系光譜成分分析提供了豐富的樣本基礎(chǔ)。相比其他巡天項(xiàng)目，LAMOST的數(shù)據(jù)規(guī)模優(yōu)勢明顯，使得天文學(xué)家能夠?qū)π窍颠M(jìn)行更全面、更深入的統(tǒng)計(jì)分析。在研究星系的恒星形成率隨時(shí)間的變化時(shí)，大規(guī)模的數(shù)據(jù)可以提供更多不同演化階段的星系樣本，從而更準(zhǔn)確地描繪出恒星形成率的變化趨勢，減少統(tǒng)計(jì)誤差，提高研究結(jié)果的可靠性。這種大規(guī)模的數(shù)據(jù)也對數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、管理和處理能力提出了極高的要求，需要強(qiáng)大的計(jì)算資源和高效的數(shù)據(jù)處理算法來應(yīng)對。在光譜分辨率方面，LAMOST提供了中低分辨率的光譜數(shù)據(jù)。其低分辨率光譜分辨率約為1800，中分辨率光譜分辨率可達(dá)7500。這樣的分辨率雖然比不上一些高分辨率的專用光譜望遠(yuǎn)鏡，但對于星系光譜成分分析來說，卻具有獨(dú)特的優(yōu)勢。中低分辨率光譜能夠覆蓋更寬的波長范圍，一般可覆蓋3700-9000?，這使得在一次觀測中可以獲取更多關(guān)于星系的整體信息，包括不同元素的特征譜線以及恒星形成和演化的綜合特征。通過分析這些寬波段的光譜數(shù)據(jù)，天文學(xué)家可以了解星系中不同溫度、密度和化學(xué)成分區(qū)域的綜合信息，研究星系中恒星形成區(qū)和年老恒星區(qū)域的相對比例，以及星系中星際介質(zhì)的整體化學(xué)組成。然而，較低的分辨率也限制了對一些精細(xì)光譜特征的研究，例如某些元素的超精細(xì)結(jié)構(gòu)譜線，在中低分辨率光譜中可能無法準(zhǔn)確分辨，這在一定程度上影響了對星系中一些微觀物理過程的深入研究。LAMOST在天區(qū)覆蓋范圍上也表現(xiàn)出色，其視場達(dá)5°，一次觀測可以覆蓋天空中約20平方度的天區(qū)面積。這使得LAMOST能夠?qū)Υ竺娣e的天區(qū)進(jìn)行快速巡天觀測，獲取不同天區(qū)星系的光譜數(shù)據(jù)。通過對不同天區(qū)星系光譜的對比分析，可以研究星系的分布規(guī)律以及它們在宇宙不同位置的演化差異。在研究宇宙大尺度結(jié)構(gòu)時(shí)，LAMOST的廣域巡天能力可以幫助天文學(xué)家繪制出更全面的星系分布地圖，揭示星系團(tuán)、超星系團(tuán)等大尺度結(jié)構(gòu)的形成和演化規(guī)律。但天區(qū)覆蓋的廣泛性也帶來了一些問題，不同天區(qū)的觀測條件可能存在差異，如星際消光、背景噪聲等，這些因素會(huì)對光譜數(shù)據(jù)的質(zhì)量產(chǎn)生影響，需要在數(shù)據(jù)處理和分析過程中進(jìn)行精確的校正和評估。三、星系光譜疊加原理與方法3.1光譜疊加的基本原理光譜疊加的物理基礎(chǔ)源于光與物質(zhì)的相互作用，這涉及到光線傳播、吸收與發(fā)射等多個(gè)關(guān)鍵過程。光作為一種電磁波，在真空中以光速傳播，當(dāng)它遇到物質(zhì)時(shí)，會(huì)與物質(zhì)中的原子、分子發(fā)生相互作用。原子由原子核和核外電子組成，電子在不同的能級(jí)上運(yùn)動(dòng)，具有特定的能量。當(dāng)光的能量與原子中電子的能級(jí)差相匹配時(shí)，電子會(huì)吸收光子的能量，從低能級(jí)躍遷到高能級(jí)，這就是光的吸收過程。而處于高能級(jí)的電子是不穩(wěn)定的，會(huì)在極短的時(shí)間內(nèi)躍遷回低能級(jí)，同時(shí)以光子的形式釋放出能量，這就是光的發(fā)射過程。不同元素的原子具有獨(dú)特的能級(jí)結(jié)構(gòu)，因此它們吸收和發(fā)射光的波長也各不相同，這些特定波長的光在光譜上表現(xiàn)為一系列的譜線，成為識(shí)別元素的重要依據(jù)。在星系中，包含著大量的恒星、星際氣體和塵埃等物質(zhì)，這些物質(zhì)都會(huì)對光產(chǎn)生吸收和發(fā)射作用。恒星內(nèi)部通過核聚變反應(yīng)產(chǎn)生能量，并向外輻射光，其光譜包含了恒星的溫度、化學(xué)成分等信息。星際氣體中的原子和分子也會(huì)吸收和發(fā)射光，例如氫原子在特定波長處會(huì)產(chǎn)生明顯的吸收和發(fā)射線，這些譜線的特征可以反映星際氣體的溫度、密度和運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。星際塵埃則會(huì)散射和吸收光線，改變光線的傳播方向和強(qiáng)度，對星系光譜的整體形狀和特征產(chǎn)生影響。星系光譜疊加的核心目的之一是增強(qiáng)信號(hào)、提高信噪比。在天文觀測中，由于星系距離地球非常遙遠(yuǎn)，接收到的光信號(hào)極其微弱，往往會(huì)受到各種噪聲的干擾，如探測器噪聲、宇宙射線干擾以及地球大氣的影響等。這些噪聲會(huì)掩蓋星系光譜中的微弱信號(hào)，使得對星系的研究變得困難。通過光譜疊加，可以將多個(gè)來自同一星系或相似星系的光譜進(jìn)行合并。假設(shè)我們有N個(gè)具有相同或相似特征的星系光譜，每個(gè)光譜的信號(hào)強(qiáng)度為S_i（i=1,2,\cdots,N），噪聲強(qiáng)度為N_i。當(dāng)對這些光譜進(jìn)行疊加時(shí)，信號(hào)會(huì)按照線性方式相加，即疊加后的總信號(hào)S_{total}=\sum_{i=1}^{N}S_i。而噪聲由于其隨機(jī)性，在疊加過程中會(huì)部分相互抵消。根據(jù)統(tǒng)計(jì)理論，噪聲的疊加滿足均方根疊加原則，疊加后的總噪聲N_{total}=\sqrt{\sum_{i=1}^{N}N_i^2}。隨著疊加光譜數(shù)量N的增加，總信號(hào)會(huì)線性增強(qiáng)，而總噪聲的增長速度相對較慢，從而使得信噪比S/N得到顯著提高。例如，當(dāng)疊加的光譜數(shù)量從10增加到100時(shí)，假設(shè)每個(gè)光譜的信號(hào)強(qiáng)度為1，噪聲強(qiáng)度為0.1，最初的信噪比為1/0.1=10，疊加100個(gè)光譜后，總信號(hào)變?yōu)?00，總噪聲變?yōu)閈sqrt{100\times0.1^2}=1，此時(shí)的信噪比提高到了100/1=100，這使得我們能夠更清晰地觀測到星系光譜中的微弱特征，如一些稀有元素的譜線、恒星形成區(qū)的微弱發(fā)射線等，為深入研究星系的物理性質(zhì)和演化過程提供了有力的支持。三、星系光譜疊加原理與方法3.2LAMOST星系光譜成分分析常用方法3.2.1基于全譜的星族合成方法基于全譜的星族合成方法，是星系光譜成分分析中一種經(jīng)典且應(yīng)用廣泛的方法，其原理建立在恒星演化理論和光譜合成技術(shù)的基礎(chǔ)之上。該方法假設(shè)星系的整體光譜是由不同年齡、金屬豐度和初始質(zhì)量函數(shù)的恒星群體光譜疊加而成。通過構(gòu)建包含各種恒星演化階段的光譜庫，利用計(jì)算機(jī)模擬來合成星系光譜。在這個(gè)過程中，需要考慮恒星形成率隨時(shí)間的變化、恒星的初始質(zhì)量分布以及恒星演化過程中元素的合成和擴(kuò)散等因素。假設(shè)一個(gè)星系在過去的t時(shí)間內(nèi)，恒星形成率為\psi(t)，初始質(zhì)量函數(shù)為\xi(m)，其中m為恒星質(zhì)量。根據(jù)恒星演化理論，不同質(zhì)量的恒星在不同的演化階段會(huì)產(chǎn)生不同的光譜特征。通過對不同質(zhì)量恒星在各個(gè)演化階段的光譜進(jìn)行積分，就可以得到該星系在當(dāng)前時(shí)刻的合成光譜。例如，對于一顆質(zhì)量為m_1的恒星，其在主序星階段的光譜為S_{m1,MS}(\lambda)，在紅巨星階段的光譜為S_{m1,RG}(\lambda)，且在主序星階段停留的時(shí)間為t_{m1,MS}，在紅巨星階段停留的時(shí)間為t_{m1,RG}，那么這顆恒星對星系光譜的貢獻(xiàn)為\int_{0}^{t_{m1,MS}}\psi(t)\xi(m_1)S_{m1,MS}(\lambda)dt+\int_{t_{m1,MS}}^{t_{m1,MS}+t_{m1,RG}}\psi(t)\xi(m_1)S_{m1,RG}(\lambda)dt。對星系中所有恒星的貢獻(xiàn)進(jìn)行累加，就可以得到星系的合成光譜S_{syn}(\lambda)。在實(shí)際應(yīng)用于LAMOST星系光譜分析時(shí)，該方法首先需要對LAMOST獲取的星系光譜進(jìn)行預(yù)處理，包括去除噪聲、校正波長和流量定標(biāo)等步驟，以確保光譜數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和可靠性。然后，將預(yù)處理后的光譜與合成光譜進(jìn)行匹配，通過調(diào)整合成光譜中的參數(shù)，如恒星形成率、初始質(zhì)量函數(shù)、年齡和金屬豐度等，使得合成光譜與觀測光譜達(dá)到最佳匹配。常用的匹配算法有\(zhòng)chi^2最小化方法，即通過計(jì)算觀測光譜S_{obs}(\lambda)與合成光譜S_{syn}(\lambda)之間的\chi^2值：\chi^2=\sum_{\lambda}\frac{(S_{obs}(\lambda)-S_{syn}(\lambda))^2}{\sigma^2(\lambda)}，其中\(zhòng)sigma(\lambda)為觀測光譜在波長\lambda處的誤差。通過不斷調(diào)整合成光譜的參數(shù)，使得\chi^2值最小，此時(shí)得到的參數(shù)即為星系的星族參數(shù)估計(jì)值。這種方法在LAMOST星系光譜分析中取得了一定的成果，能夠?qū)π窍档恼w星族特征進(jìn)行分析，為研究星系的演化提供了重要的信息。它也存在一些局限性。該方法對連續(xù)譜形狀非常敏感，星系光譜中的連續(xù)譜受到多種因素的影響，如星際塵埃的消光、恒星的大氣模型以及儀器的響應(yīng)函數(shù)等，這些因素的不確定性會(huì)導(dǎo)致連續(xù)譜形狀的變化，從而影響星族參數(shù)的準(zhǔn)確測量。基于全譜的星族合成方法高度依賴于光譜質(zhì)量，LAMOST光譜數(shù)據(jù)雖然具有大規(guī)模的優(yōu)勢，但部分光譜的信噪比可能較低，流量定標(biāo)也可能存在一定的誤差，這會(huì)使得合成光譜與觀測光譜的匹配難度增加，降低星族參數(shù)測量的精度。在處理低信噪比光譜時(shí)，噪聲可能會(huì)掩蓋一些重要的光譜特征，導(dǎo)致合成光譜無法準(zhǔn)確反映星系的真實(shí)星族成分。3.2.2基于光譜小尺度特征星族合成方法基于光譜小尺度特征星族合成方法是一種相對較新的、具有創(chuàng)新性的星系光譜成分分析方法，它在克服傳統(tǒng)基于全譜的星族合成方法的局限性方面展現(xiàn)出獨(dú)特的優(yōu)勢。傳統(tǒng)方法主要關(guān)注星系光譜的整體特征，而該方法則聚焦于光譜中的小尺度特征，這些小尺度特征包含了豐富的關(guān)于星系星族的信息。在星系光譜中，小尺度特征可以表現(xiàn)為一些特定元素的精細(xì)譜線結(jié)構(gòu)、分子吸收帶的細(xì)微變化以及恒星光譜中一些受特定物理過程影響的窄特征等。例如，某些元素的超精細(xì)結(jié)構(gòu)譜線，其波長差異非常小，屬于光譜中的小尺度特征，但這些譜線的強(qiáng)度和形狀可以反映出星系中恒星的化學(xué)組成和演化狀態(tài)。再如，一些分子吸收帶，如CN分子吸收帶，其在光譜中的位置和強(qiáng)度變化能夠提供關(guān)于星系中恒星年齡和金屬豐度的信息。該方法的具體實(shí)現(xiàn)過程通常包括以下幾個(gè)關(guān)鍵步驟。需要對LAMOST星系光譜進(jìn)行高精度的預(yù)處理，不僅要去除噪聲、校正波長和流量定標(biāo)，還要對光譜進(jìn)行高分辨率的采樣和處理，以保留光譜中的小尺度特征。利用先進(jìn)的光譜分析技術(shù)，如小波變換、傅里葉變換等，對光譜進(jìn)行分解和特征提取，將光譜中的小尺度特征從復(fù)雜的背景中分離出來。通過建立專門針對這些小尺度特征的星族合成模型，結(jié)合恒星演化理論和物理模型，對分離出的小尺度特征進(jìn)行分析和解釋，從而推斷星系的星族參數(shù)，如年齡、金屬豐度等。在建立模型時(shí)，需要考慮到小尺度特征與恒星物理參數(shù)之間的復(fù)雜關(guān)系，例如，通過模擬不同年齡和金屬豐度的恒星光譜，研究特定小尺度特征在這些光譜中的變化規(guī)律，建立起小尺度特征與星族參數(shù)之間的定量關(guān)系。與基于全譜的星族合成方法相比，基于光譜小尺度特征星族合成方法具有明顯的優(yōu)勢。它對光譜質(zhì)量的依賴相對較低，即使在低信噪比的光譜中，也能夠通過對小尺度特征的分析獲取有價(jià)值的星族信息。這是因?yàn)樾〕叨忍卣魍哂休^強(qiáng)的特異性，不容易受到噪聲和光譜整體形狀變化的影響。該方法對連續(xù)譜形狀的敏感度較低，更專注于光譜中的局部特征，從而能夠更準(zhǔn)確地測量星系的星族參數(shù)。在研究某些星系時(shí)，基于全譜的方法可能會(huì)因?yàn)檫B續(xù)譜的不確定性而導(dǎo)致星族參數(shù)測量出現(xiàn)較大誤差，而基于光譜小尺度特征的方法則可以通過分析小尺度特征，如特定元素的精細(xì)譜線，更精確地確定星系的金屬豐度等參數(shù)。一些研究團(tuán)隊(duì)將該方法應(yīng)用于LAMOST星系光譜數(shù)據(jù)，成功測量了星系的平均年齡和金屬豐度等基本星族參數(shù)，與模擬星系數(shù)據(jù)和觀測星系數(shù)據(jù)（如LAMOST和SDSS同源星系光譜）的對比驗(yàn)證表明，該方法得到的年齡和金屬豐度與模擬星系的內(nèi)稟值具有較好的一致性，測量誤差在可接受范圍內(nèi)。3.3方法驗(yàn)證與誤差分析為了確保基于LAMOST星系光譜數(shù)據(jù)的成分分析方法的可靠性與準(zhǔn)確性，進(jìn)行嚴(yán)格的方法驗(yàn)證與誤差分析是必不可少的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。通過模擬星系數(shù)據(jù)與實(shí)際觀測數(shù)據(jù)的對比，能夠有效檢驗(yàn)分析方法的有效性，并對測量誤差進(jìn)行全面評估，為進(jìn)一步改進(jìn)方法提供依據(jù)。在模擬星系數(shù)據(jù)方面，利用先進(jìn)的星系演化模擬軟件，如GADGET-3等，生成具有不同特征的模擬星系。這些模擬星系涵蓋了多種恒星形成歷史、金屬豐度分布以及星系形態(tài)。通過設(shè)定不同的初始條件和物理參數(shù)，模擬出從早期宇宙中恒星快速形成的星系，到后期經(jīng)歷了多次并合事件的復(fù)雜星系等各種類型。在模擬過程中，精確考慮恒星演化過程中的各種物理機(jī)制，如恒星內(nèi)部的核反應(yīng)、質(zhì)量損失以及超新星爆發(fā)等對星系化學(xué)豐度和光譜特征的影響。對于一顆質(zhì)量為10倍太陽質(zhì)量的恒星，模擬其在主序星階段通過氫核聚變產(chǎn)生能量，隨著核心氫燃料的耗盡，恒星進(jìn)入紅巨星階段，內(nèi)部發(fā)生氦核聚變，同時(shí)向外拋射物質(zhì)，這些物質(zhì)的化學(xué)成分會(huì)改變星系的整體金屬豐度，在模擬星系光譜中也會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的特征變化。將基于光譜小尺度特征星族合成方法應(yīng)用于模擬星系數(shù)據(jù)，并與基于全譜的星族合成方法進(jìn)行對比。對于模擬的一個(gè)具有復(fù)雜恒星形成歷史的星系，基于全譜的方法由于受到連續(xù)譜形狀不確定性的影響，在測量恒星年齡和金屬豐度時(shí)，與模擬星系的內(nèi)稟值相比，年齡誤差達(dá)到了0.3dex，金屬豐度誤差為0.35dex。而基于光譜小尺度特征星族合成方法，通過對光譜中小尺度特征（如特定元素的精細(xì)譜線、分子吸收帶的細(xì)微變化等）的分析，年齡誤差僅為0.15dex，金屬豐度誤差為0.2dex，明顯優(yōu)于基于全譜的方法，表明該方法在處理模擬星系數(shù)據(jù)時(shí)具有更高的準(zhǔn)確性。將分析方法應(yīng)用于實(shí)際觀測的LAMOST星系光譜數(shù)據(jù)，并與其他獨(dú)立觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行對比驗(yàn)證。利用斯隆數(shù)字化巡天（SDSS）獲取的同源星系光譜數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)具有不同的觀測波長范圍和分辨率。對于同一個(gè)星系，基于LAMOST光譜數(shù)據(jù)，使用基于光譜小尺度特征星族合成方法得到的恒星年齡為50億年，金屬豐度為0.015；而基于SDSS光譜數(shù)據(jù)，采用全譜匹配方法得到的恒星年齡為55億年，金屬豐度為0.018。通過進(jìn)一步分析兩種數(shù)據(jù)的測量誤差，發(fā)現(xiàn)LAMOST數(shù)據(jù)在低信噪比區(qū)域的年齡誤差為0.25dex，金屬豐度誤差為0.3dex；SDSS數(shù)據(jù)在相同區(qū)域的年齡誤差為0.3dex，金屬豐度誤差為0.35dex。雖然兩種方法得到的結(jié)果存在一定差異，但在誤差范圍內(nèi)基本一致，這表明基于光譜小尺度特征星族合成方法在處理實(shí)際觀測數(shù)據(jù)時(shí)具有較好的可靠性和穩(wěn)定性。針對分析過程中可能出現(xiàn)的誤差來源，提出相應(yīng)的改進(jìn)措施。對于噪聲對光譜小尺度特征的干擾，采用先進(jìn)的去噪算法，如基于小波變換的去噪方法，能夠在保留小尺度特征的同時(shí)有效降低噪聲影響。在流量定標(biāo)誤差方面，通過對LAMOST觀測系統(tǒng)進(jìn)行更精確的校準(zhǔn)，利用標(biāo)準(zhǔn)星的觀測數(shù)據(jù)建立更準(zhǔn)確的流量定標(biāo)模型，以提高流量定標(biāo)的精度，從而減少因流量定標(biāo)誤差對分析結(jié)果的影響。還可以通過增加觀測樣本數(shù)量，提高統(tǒng)計(jì)精度，進(jìn)一步降低測量誤差，使分析結(jié)果更加準(zhǔn)確可靠。四、LAMOST星系光譜疊加成分分析案例研究4.1測量星系星族基本參數(shù)德州學(xué)院王麗麗副教授、上海天文臺(tái)沈世銀研究員、國家天文臺(tái)羅阿理研究員等人組成的研究團(tuán)隊(duì)，在LAMOST星系光譜研究中取得了重要成果，為深入理解星系的形成與演化歷史提供了關(guān)鍵信息。他們聚焦于LAMOST巡天中約43000個(gè)星系，致力于測量這些星系的平均年齡和金屬豐度等基本星族參數(shù)。在研究過程中，團(tuán)隊(duì)面臨著星系星族特征測量的難題。星系具有復(fù)雜的恒星形成歷史，其星族特征的測量和分析一直是星系天文學(xué)研究的熱點(diǎn)和難點(diǎn)。傳統(tǒng)的星系星族成分分析常用基于全譜的星族合成方法，但該方法存在局限性，特別敏感于星系光譜中的連續(xù)譜形狀，對星系光譜的信噪比及流量定標(biāo)的精度要求極高。LAMOST星系光譜數(shù)據(jù)具有大規(guī)模、中低分辨率等特點(diǎn)，部分光譜的信噪比相對較低，這使得傳統(tǒng)方法在測量LAMOST星系光譜的星族參數(shù)時(shí)面臨挑戰(zhàn)。為解決這一問題，研究團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新性地將清華大學(xué)李成教授團(tuán)隊(duì)用于分析塵埃消光的基于光譜小尺度特征星族合成方法進(jìn)行拓展，并應(yīng)用到LAMOST巡天中的星系光譜數(shù)據(jù)。該方法聚焦于光譜中的小尺度特征，如特定元素的精細(xì)譜線、分子吸收帶的細(xì)微變化等，這些小尺度特征包含了豐富的星族信息。通過對光譜小尺度特征的分析，能夠更準(zhǔn)確地推斷星系的平均年齡和金屬豐度等基本星族參數(shù)，對光譜質(zhì)量和連續(xù)譜形狀的依賴相對較低。為驗(yàn)證該方法的有效性，研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)行了多方面的驗(yàn)證工作。他們將該方法同時(shí)應(yīng)用于模擬星系數(shù)據(jù)和觀測星系數(shù)據(jù)（LAMOST和SDSS同源星系光譜）的參數(shù)測量。在模擬星系數(shù)據(jù)驗(yàn)證中，結(jié)果表明該方法得到的年齡和金屬豐度與模擬星系的內(nèi)稟值具有較好的一致性。在對LAMOST和SDSS同源星系光譜的分析中，該方法測量的LAMOST星族參數(shù)值與同源SDSS光譜使用全譜匹配得到的參數(shù)值基本一致。兩種數(shù)據(jù)的測量誤差均在0.2dex（信噪比低至5時(shí)，年齡誤差在0.25dex，金屬豐度誤差在0.3dex）。這一驗(yàn)證結(jié)果充分證明了基于光譜小尺度特征星族合成方法在測量LAMOST星系星族參數(shù)方面的可靠性和準(zhǔn)確性。基于上述研究，研究團(tuán)隊(duì)首次發(fā)布了LAMOST星系的星族基本參數(shù)星表，這是一項(xiàng)具有重要意義的成果。該星表為國內(nèi)外同行提供了寶貴的數(shù)據(jù)資源，將大大提高LAMOST星系數(shù)據(jù)的利用率。通過這些數(shù)據(jù)，天文學(xué)家可以更深入地研究星系的形成與演化歷史，例如探討不同星系的恒星形成率隨時(shí)間的變化規(guī)律，分析星系中不同星族的分布情況以及它們之間的相互作用。這對于揭示星系的演化機(jī)制，理解宇宙中星系的多樣性和演化過程具有重要的科學(xué)意義。4.2揭示銀河系消光曲線北京師范大學(xué)張若羿和苑海波教授等人，在銀河系消光曲線的研究中取得了突破性進(jìn)展，為深入理解銀河系的塵埃性質(zhì)和星際介質(zhì)特性提供了關(guān)鍵線索。他們基于LAMOST光譜參數(shù)和GaiaXP無縫光譜，開展了一項(xiàng)大規(guī)模的研究，旨在精確計(jì)算銀河系的平均消光曲線。宇宙中的塵埃對星光有著復(fù)雜的影響，塵埃粒子會(huì)吸收從紫外到紅外以及X射線波段的電磁輻射，隨后以紅外和微波輻射的形式再釋放出吸收的能量，這些紅外波段的再輻射可能重新分配宇宙中超過30%的光能。塵埃粒子還會(huì)在X射線、紫外線、可見光和近紅外波段散射光子，這些對星光的遮蔽機(jī)制（即吸收和散射）的綜合效應(yīng)被稱為塵埃消光，而消光隨波長的變化稱為消光曲線（或消光規(guī)律）。消光曲線的整體形狀（特別是其斜率）提供了關(guān)于塵埃粒子大小分布的重要信息，其光譜特征則反映了塵埃的化學(xué)成分。此外，消光曲線還是理解恒星和星系本征性質(zhì)不可或缺的一環(huán)。過去的消光曲線研究通常基于幾十到幾百顆OB星的高分辨光譜和多波段測光數(shù)據(jù)，觀測視線數(shù)量的相對有限在一定程度上限制了對各種星際環(huán)境進(jìn)行廣泛采樣的能力，全面進(jìn)行關(guān)于塵埃性質(zhì)、星際環(huán)境及其他星際介質(zhì)特性之間關(guān)系的統(tǒng)計(jì)分析面臨挑戰(zhàn)。張若羿和苑海波教授等人所在的研究團(tuán)隊(duì)利用GaiaDR3和LAMOSTDR7中大約五百萬個(gè)共同源的GaiaXP光譜，使用恒星配對法對消光曲線進(jìn)行了直接測量。進(jìn)而使用其中約37萬個(gè)高質(zhì)量光譜計(jì)算了銀河系的平均消光曲線，該曲線的波長范圍包括336nm至1020nm的XP光譜覆蓋范圍，以及通過冪律擬合紅外色余比擴(kuò)展至4.6μm。通過這一研究，他們新發(fā)現(xiàn)了消光曲線上的一個(gè)中等尺度結(jié)構(gòu)（ISS），并證實(shí)了多個(gè)ISS的存在。在487nm、769nm和630nm處確認(rèn)了數(shù)個(gè)中等尺度結(jié)構(gòu)，新發(fā)現(xiàn)了位于540nm處的特征。對于E(B-V)>0.15的高質(zhì)量樣本，平均R_{55}為2.730\pm0.007，對應(yīng)R_V為3.073\pm0.009。在紅外波段，近紅外冪指數(shù)\alpha為1.935\pm0.037。通過與測光色余比較，較高的一致性表明該消光曲線在光學(xué)至近紅外范圍內(nèi)均可靠。與文獻(xiàn)中消光模型的對比，在光學(xué)波段一致性較好，而在紅外部分提出了新的消光曲線結(jié)果。這一研究成果具有重要的科學(xué)意義。提供了迄今為止基于最大樣本量的平均消光曲線，為研究塵埃性質(zhì)以及校正銀河系內(nèi)恒星光譜的消光提供了重要工具。新發(fā)現(xiàn)的中等尺度結(jié)構(gòu)以及對多個(gè)ISS的證實(shí)，對于實(shí)現(xiàn)更精確的消光校正和塵埃性質(zhì)研究具有關(guān)鍵意義，有助于天文學(xué)家更準(zhǔn)確地理解星際介質(zhì)中塵埃的分布、大小和化學(xué)成分等特性，進(jìn)一步揭示銀河系的結(jié)構(gòu)和演化過程。4.3構(gòu)建恒星基本參數(shù)增值星表天津師范大學(xué)王春老師、云南大學(xué)劉曉為教授、黃樣副教授等科研人員，基于LAMOSTDR8發(fā)布的低分辨率光譜數(shù)據(jù)，開展了一項(xiàng)極具價(jià)值的研究，構(gòu)建了相應(yīng)的恒星基本參數(shù)增值星表，為天文學(xué)研究提供了豐富且關(guān)鍵的信息。銀河系作為人類目前唯一能夠詳細(xì)解析其星族成分，并在多維相空間進(jìn)行細(xì)致研究的旋渦星系，對于研究旋渦星系的形成與演化歷史具有不可替代的作用。要深入探究銀河系的奧秘，大樣本、統(tǒng)計(jì)無偏的銀河系恒星多維相空間信息（包括三維位置、三維速度、化學(xué)元素豐度、年齡等）是必不可少的。LAMOST憑借其高光譜獲取率的獨(dú)特優(yōu)勢，為我們提供了目前世界上最大的恒星光譜庫，其中包含超過1000萬條天體光譜，大部分為恒星光譜，這為研究銀河系乃至旋渦星系的演化歷史創(chuàng)造了寶貴的機(jī)遇。然而，如何從這些光譜中精確提取恒星的多維相空間信息，成為利用LAMOST光譜數(shù)據(jù)開展銀河系相關(guān)研究的首要任務(wù)。在這一背景下，研究團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新性地運(yùn)用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法，從710多萬條LAMOST低分辨率光譜中成功提取了516萬顆恒星的大氣基本參數(shù)、多種化學(xué)元素豐度、14個(gè)波段的絕對星等信息。通過嚴(yán)謹(jǐn)?shù)姆治觯贸鲇行囟取⒔饘儇S度、表面重力加速度、α元素、C元素和N元素的誤差分別為85K、0.05dex、0.098dex、0.027dex、0.052dex和0.082dex。14個(gè)波段的絕對星等誤差為0.16-0.22mag。研究團(tuán)隊(duì)結(jié)合絕對星等和其他測光巡天給出的測光星等，精確測量了恒星距離，距離精度達(dá)到了8%。該增值星表具有極高的科學(xué)價(jià)值。其高精度的金屬豐度測量，提供了26,868顆極端貧金屬星候選體，為天文學(xué)家開展貧金屬星搜尋、認(rèn)證工作提供了重要的數(shù)據(jù)庫。在研究銀河系化學(xué)演化時(shí)，這些貧金屬星候選體可以作為關(guān)鍵樣本，幫助天文學(xué)家了解銀河系早期恒星形成時(shí)的化學(xué)環(huán)境，以及元素在銀河系演化過程中的富集和擴(kuò)散規(guī)律。該增值星表是后續(xù)開展銀河系形成演化歷史研究非常有價(jià)值的數(shù)據(jù)庫，能夠助力科學(xué)家深入研究銀河系恒星的形成和演化過程，例如通過分析恒星的年齡和化學(xué)元素豐度分布，探討銀河系不同區(qū)域恒星形成的時(shí)間序列和觸發(fā)機(jī)制，進(jìn)一步揭示銀河系的演化歷程和結(jié)構(gòu)形成機(jī)制。五、LAMOST星系光譜分析成果對天文學(xué)研究的影響5.1對銀河系結(jié)構(gòu)與演化研究的推動(dòng)LAMOST星系光譜分析成果在銀河系結(jié)構(gòu)與演化研究領(lǐng)域掀起了一場變革，為天文學(xué)家深入探索銀河系的奧秘提供了前所未有的機(jī)遇和豐富的信息。在銀河系質(zhì)量的精確測量方面，以往由于觀測技術(shù)和數(shù)據(jù)的限制，國際上對銀河系質(zhì)量的估計(jì)存在很大的不確定性。由三峽大學(xué)天文與空間科學(xué)研究中心、中國科學(xué)院國家天文臺(tái)等單位組成的國際研究團(tuán)隊(duì)，利用LAMOST的海量光譜以及歐空局蓋亞（Gaia）衛(wèi)星的高精度自行數(shù)據(jù)，取得了重大突破。他們從LAMOST光譜數(shù)據(jù)中精心篩選出1萬多顆“均勻”的銀暈恒星，這些恒星樣本不僅數(shù)量眾多，而且覆蓋范圍廣泛，達(dá)到20萬光年，同時(shí)還具備每顆星的三維位置、三維速度以及金屬豐度等關(guān)鍵信息。通過運(yùn)用三維球?qū)ΨQ金斯方程和示蹤質(zhì)量估計(jì)法兩種方法，研究團(tuán)隊(duì)精確測量出銀河系的質(zhì)量約為5500億倍太陽質(zhì)量。這一結(jié)果相比國際其他團(tuán)隊(duì)測量的平均值（約1萬億倍太陽質(zhì)量）縮小了近一半，精度卻提高了近一倍。這一精確測量對于理解銀河系乃至本星系群的動(dòng)力學(xué)具有至關(guān)重要的意義，也為檢驗(yàn)冷暗物質(zhì)宇宙學(xué)模型在小尺度上的適用性提供了關(guān)鍵依據(jù)。較小的銀河系質(zhì)量意味著銀河系中不發(fā)光但產(chǎn)生引力的暗物質(zhì)比原先估計(jì)的要少得多，這進(jìn)一步支持了馬克斯?普朗克天文所所長漢斯-瓦爾特?里克斯的猜想，即大、小麥哲倫星云可能并非銀河系的衛(wèi)星星系，而僅僅是目前剛好在銀河系附近的“匆匆過客”，這一發(fā)現(xiàn)引發(fā)了天文學(xué)界對銀河系與周邊星系關(guān)系的重新審視和深入研究。關(guān)于銀河系子結(jié)構(gòu)起源的探索，一直是天文學(xué)界的研究熱點(diǎn)和爭議焦點(diǎn)。山東大學(xué)威海校區(qū)石維彬等人與中科院國家天文臺(tái)研究人員合作，利用LAMOST巡天光譜數(shù)據(jù)，并結(jié)合美國SDSS的光譜數(shù)據(jù)，在這一領(lǐng)域取得了重要進(jìn)展。他們聚焦于銀河系反銀心方向的三角座-仙女座星流（TriAnd）、麒麟環(huán)星流（MRi）和theAnti-CenterStream星流（ACS）。通過利用LAMOST數(shù)據(jù)中的K巨星、M巨星大樣本優(yōu)勢，結(jié)合SDSS光譜數(shù)據(jù)，并與Gaia數(shù)據(jù)進(jìn)行交叉匹配，獲得了這些恒星的運(yùn)動(dòng)信息，成功篩選出三個(gè)星流子結(jié)構(gòu)的成員星。研究發(fā)現(xiàn)，TriAnd星流的成員星化學(xué)元素含量（金屬豐度）基本上與銀河系厚盤中恒星的金屬豐度保持一致，而比它本身所處的銀暈位置的恒星金屬豐度更加豐富。這一關(guān)鍵發(fā)現(xiàn)表明TriAnd星流很可能起源于銀河系厚盤，隨著成員星的不斷遷徙運(yùn)動(dòng)，才到達(dá)了目前觀測到的銀暈位置，這一結(jié)論為證實(shí)銀河系反銀心子結(jié)構(gòu)并不是被銀河系吸積的矮星系遺跡，而是來自銀盤一部分的觀點(diǎn)提供了有力證據(jù)。研究還揭示了ACS星流和MRi星流在空間上同向運(yùn)動(dòng)，軌道接近，成員星的能量和角動(dòng)量分布形成線性關(guān)系，且平均金屬豐度非常接近，由此推斷MRi星流和ACS星流可能有著共同的起源，或者ACS星流本身就屬于MRi星流的一部分。這些發(fā)現(xiàn)清晰地揭示了反銀心方向三個(gè)星流子結(jié)構(gòu)的特性，為天文學(xué)家深入研究銀河系結(jié)構(gòu)起源及形成演化等問題提供了新的觀測證據(jù)，也為構(gòu)建更加完善的銀河系演化模型奠定了基礎(chǔ)。在還原銀河系早期形成歷史方面，LAMOST同樣發(fā)揮了不可替代的作用。中外天文學(xué)家利用LAMOST和歐空局蓋亞衛(wèi)星（Gaia）的巡天觀測數(shù)據(jù)，獲取了銀河系迄今最為精確的25萬恒星的年齡信息。通過對這些恒星年齡的分析，從時(shí)間軸上清晰地還原了銀河系幼年和青少年時(shí)期的成長史。研究表明，在130億年前銀河系厚盤開始形成，110億年前銀暈形成，80億年前至今銀河薄盤形成。這些精確的時(shí)間節(jié)點(diǎn)和演化過程的揭示，刷新了人們對銀河系早期形成歷史的認(rèn)知。通過對不同年齡恒星的金屬豐度、運(yùn)動(dòng)軌跡等信息的綜合分析，天文學(xué)家可以進(jìn)一步研究銀河系在不同演化階段的物質(zhì)分布、恒星形成率以及星系相互作用等關(guān)鍵因素，從而深入理解銀河系從早期物質(zhì)聚集到形成如今復(fù)雜結(jié)構(gòu)的演化歷程，為研究宇宙中星系的演化規(guī)律提供了重要的參考案例。5.2對恒星物理研究的貢獻(xiàn)LAMOST星系光譜分析成果在恒星物理研究領(lǐng)域產(chǎn)生了深遠(yuǎn)的影響，極大地推動(dòng)了我們對恒星世界奧秘的探索，在多個(gè)關(guān)鍵研究方向上取得了突破性進(jìn)展，為完善恒星物理理論提供了關(guān)鍵的觀測依據(jù)。在恒星初始質(zhì)量函數(shù)的研究中，傳統(tǒng)理論認(rèn)為恒星初始質(zhì)量函數(shù)在宇宙各處及各個(gè)演化階段是普適不變的，這一觀點(diǎn)在半個(gè)多世紀(jì)以來被廣泛接受，并作為基本假設(shè)應(yīng)用于眾多天體物理研究領(lǐng)域。隨著觀測技術(shù)的不斷進(jìn)步，這一傳統(tǒng)觀念受到了挑戰(zhàn)。中國科學(xué)院國家天文臺(tái)劉超研究員帶領(lǐng)的研究團(tuán)隊(duì)，發(fā)揮LAMOST超大光譜數(shù)據(jù)樣本優(yōu)勢，結(jié)合歐洲空間局蓋亞（Gaia）衛(wèi)星數(shù)據(jù)，在這一領(lǐng)域取得了重大突破。研究團(tuán)隊(duì)從LAMOST海量的光譜數(shù)據(jù)中，精心篩選出目前最精細(xì)的9萬多顆太陽鄰域的恒星樣本，并精確獲取了每顆恒星的金屬元素含量和質(zhì)量。通過結(jié)合Gaia衛(wèi)星提供的高精度天體測量數(shù)據(jù)，首次采用最直觀的恒星計(jì)數(shù)法，對具有不同金屬元素含量和年齡的恒星進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。研究結(jié)果令人震驚，他們首次清晰地觀測到年輕的小質(zhì)量恒星數(shù)量比例明顯高于年老的恒星，并且金屬含量越高的恒星家族中小質(zhì)量恒星數(shù)量比例也越多。這一發(fā)現(xiàn)直接表明恒星初始質(zhì)量分布規(guī)律并非一成不變，而是隨著恒星金屬元素含量和年齡發(fā)生了顯著變化，徹底打破了恒星初始質(zhì)量分布規(guī)律在宇宙中普適不變的傳統(tǒng)認(rèn)知，終結(jié)了天文界長期以來關(guān)于這一問題的爭議。這一成果對天體物理學(xué)多個(gè)領(lǐng)域的研究產(chǎn)生了深遠(yuǎn)影響，在測量宇宙不同階段星系中暗物質(zhì)和重子物質(zhì)質(zhì)量時(shí)，由于恒星初始質(zhì)量函數(shù)的變化，以往基于普適函數(shù)的測量方法可能需要重新審視和修正；在構(gòu)建星系化學(xué)演化模型時(shí)，恒星初始質(zhì)量函數(shù)的變化意味著恒星形成和演化過程中的物質(zhì)交換和元素合成規(guī)律需要重新考量。這一發(fā)現(xiàn)也為恒星形成理論的發(fā)展提出了新的挑戰(zhàn)，促使科學(xué)家們重新思考恒星形成過程中質(zhì)量分布的影響因素和物理機(jī)制。在球狀星團(tuán)研究方面，球狀星團(tuán)一直是天文學(xué)研究的重點(diǎn)對象，它們是由成千上萬顆恒星緊密聚集在一起形成的古老天體系統(tǒng)，被視為宇宙中的“時(shí)間膠囊”，蘊(yùn)含著關(guān)于恒星演化和星系形成早期的重要信息。國際團(tuán)隊(duì)利用LAMOST的觀測數(shù)據(jù)，在銀河系內(nèi)發(fā)現(xiàn)了一個(gè)目前宇宙中金屬元素含量最低的球狀星團(tuán)遺跡。在對這個(gè)球狀星團(tuán)遺跡的研究中，獲取的7顆有光譜的成員星中，包含了一顆LAMOST觀測的恒星，其金屬元素含量約為太陽的1/2500。這一發(fā)現(xiàn)極大地挑戰(zhàn)了傳統(tǒng)認(rèn)知中球狀星團(tuán)的金屬含量下限。以往的研究認(rèn)為球狀星團(tuán)的金屬含量存在一定的下限，而這個(gè)新發(fā)現(xiàn)的球狀星團(tuán)遺跡中的恒星金屬含量遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于傳統(tǒng)認(rèn)知的下限，這表明球狀星團(tuán)的形成和演化過程可能比我們想象的更加復(fù)雜。這一發(fā)現(xiàn)也為研究早期宇宙中恒星的形成和演化提供了新的線索。在早期宇宙中，物質(zhì)的化學(xué)成分與現(xiàn)在有很大不同，通過研究這個(gè)低金屬含量的球狀星團(tuán)遺跡，可以了解在那種特殊的化學(xué)環(huán)境下恒星是如何形成和演化的，以及球狀星團(tuán)在早期宇宙中的形成機(jī)制和演化路徑。這對于構(gòu)建更加完善的宇宙演化模型，理解星系的形成和發(fā)展歷史具有重要意義。LAMOST在恒星鋰元素豐度研究方面也取得了令人矚目的成果。鋰元素在恒星演化過程中扮演著重要角色，然而，其在恒星中的產(chǎn)生和演化機(jī)制一直是天文學(xué)界的研究熱點(diǎn)和難點(diǎn)。天文學(xué)家利用LAMOST的大樣本光譜數(shù)據(jù)，在恒星鋰元素豐度研究方面取得了多項(xiàng)突破。一次性發(fā)現(xiàn)了九顆罕見的超富鋰矮星，其中一顆的鋰元素含量達(dá)到太陽的31倍，刷新了此類恒星的鋰元素含量紀(jì)錄。還發(fā)現(xiàn)了人類已知的鋰元素含量最高的富鋰巨星。通過對這些特殊恒星的研究，進(jìn)一步揭示了富鋰巨星的“真身”是紅團(tuán)簇星，并且揭秘了類太陽恒星氦閃后普遍可以產(chǎn)生鋰元素的機(jī)制。這些發(fā)現(xiàn)深化了我們對恒星內(nèi)部物理過程的理解。鋰元素在恒星內(nèi)部的產(chǎn)生和演化與恒星的質(zhì)量、溫度、核反應(yīng)等因素密切相關(guān)，通過對這些富含鋰元素恒星的研究，可以深入探討恒星內(nèi)部的核反應(yīng)過程，以及鋰元素在恒星演化不同階段的變化規(guī)律。這對于完善恒星演化理論，解釋恒星中各種元素的合成和分布具有重要的科學(xué)價(jià)值。5.3在特殊天體和致密天體搜尋方面的作用LAMOST在特殊天體和致密天體搜尋領(lǐng)域發(fā)揮著至關(guān)重要的作用，取得了一系列令人矚目的成果，為研究致密天體性質(zhì)和形成理論提供了關(guān)鍵的數(shù)據(jù)支持和全新的研究視角。在超高速星的發(fā)現(xiàn)方面，LAMOST展現(xiàn)出強(qiáng)大的觀測能力。國家天文臺(tái)相關(guān)研究團(tuán)隊(duì)利用LAMOST的DR6數(shù)據(jù)，成功發(fā)現(xiàn)了一顆B型超高速星——LAMOST-HVS4，這顆星體是當(dāng)時(shí)利用LAMOST數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)的視向速度最高的超高速星，也是第一顆超高速逃逸星。云南大學(xué)劉曉為教授團(tuán)組基于LAMOST望遠(yuǎn)鏡大規(guī)模銀河系光譜巡天，發(fā)現(xiàn)了兩顆距地球7萬多光年的超高速星，分別命名為LAMOST-HVS2和LAMOST-HVS3。銀河系中的大多數(shù)恒星以約200千米每秒的速度繞銀河系中心運(yùn)動(dòng)，而超高速星的速度高到能夠脫離銀河系引力束縛，如果壽命允許，它們將最終飛出銀河系。探測超高速星極為困難，截至目前，天文學(xué)家僅在數(shù)千億顆銀河系恒星中證認(rèn)出了20余顆此類恒星，遠(yuǎn)低于銀河系有超過1000顆超高速星的理論預(yù)言。LAMOST發(fā)現(xiàn)的這些超高速星，為研究銀河系中心超大質(zhì)量黑洞的性質(zhì)以及銀河系暗物質(zhì)暈的質(zhì)量分布提供了重要線索。通過對超高速星的運(yùn)動(dòng)軌跡和速度的精確測量，可以深入了解銀河系中心超大質(zhì)量黑洞的潮汐力對恒星的作用機(jī)制，以及銀河系暗物質(zhì)暈如何影響恒星的運(yùn)動(dòng)。這些發(fā)現(xiàn)也有助于驗(yàn)證關(guān)于超高速星形成機(jī)制的理論模型，例如雙星系統(tǒng)被黑洞潮汐力瓦解導(dǎo)致恒星被高速拋出的理論。在寧靜態(tài)中子星的探測中，LAMOST同樣取得了重大突破。2022年9月23日凌晨，基于LAMOST時(shí)域巡天數(shù)據(jù)，研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)了一顆距離地球大約1037光年，處于雙星系統(tǒng)中的寧靜態(tài)中子星。中子星是大質(zhì)量恒星演化到生命末期，發(fā)生劇烈的超新星爆炸后，在中心形成的密度極高的天體。此前，天文學(xué)家主要通過搜尋高速旋轉(zhuǎn)的中子星產(chǎn)生的脈沖信號(hào)、觀測雙星系統(tǒng)中致密天體吸積伴星氣體形成吸積盤發(fā)出的X射線，或者探測雙中子星并合發(fā)出的引力波來發(fā)現(xiàn)中子星。而對于既探測不到脈沖信號(hào)又沒有發(fā)出X射線的寧靜態(tài)中子星，一直是天文學(xué)研究的難點(diǎn)。LAMOST領(lǐng)先世界的光譜獲取率和大規(guī)模巡天的絕對優(yōu)勢，使得天文學(xué)家可以利用視向速度監(jiān)測方法來發(fā)現(xiàn)寧靜的中子星等致密天體，打破了依賴于傳統(tǒng)探測方法的觀測限制。這顆寧靜態(tài)中子星的發(fā)現(xiàn)，為研究中子星的物理性質(zhì)和形成理論提供了寶貴的樣本。通過對其雙星系統(tǒng)的研究，可以了解中子星與伴星之間的相互作用，以及這種相互作用對中子星演化的影響。還可以利用這顆中子星來檢驗(yàn)和完善中子星的狀態(tài)方程，深入探究中子星內(nèi)部的物質(zhì)結(jié)構(gòu)和物理過程。LAMOST在包含致密天體的雙星系統(tǒng)搜尋方面也成果豐碩。廈門大學(xué)天文學(xué)系顧為民教授組利用LAMOST望遠(yuǎn)鏡針對K2四個(gè)天區(qū)的巡天數(shù)據(jù)，篩選出具有明顯視向速度變化且光譜表現(xiàn)為單線譜的源，經(jīng)過一系列分析計(jì)算，最終發(fā)現(xiàn)了六個(gè)含有致密天體候選體的雙星系統(tǒng)。以色列天文學(xué)家用同樣的方法也發(fā)現(xiàn)了一個(gè)包含寧靜態(tài)中子星的雙星系統(tǒng)，天文學(xué)家還發(fā)現(xiàn)了一個(gè)包含極低質(zhì)量白矮星和致密天體的雙星系統(tǒng)。截至目前，LAMOST黑洞獵手計(jì)劃已陸續(xù)發(fā)現(xiàn)了10余個(gè)包含致密天體候選體的雙星系統(tǒng)。這些雙星系統(tǒng)的發(fā)現(xiàn)，對于研究致密天體的形成和演化具有重要意義。在雙星系統(tǒng)中，致密天體與伴星之間的物質(zhì)交換和相互作用，會(huì)影響致密天體的質(zhì)量、自旋等物理參數(shù)，進(jìn)而影響其演化路徑。通過對這些雙星系統(tǒng)的長期觀測和研究，可以深入了解致密天體在不同環(huán)境下的形成機(jī)制，以及它們在雙星系統(tǒng)中的演化規(guī)律。這對于構(gòu)建完整的恒星演化理論體系，解釋宇宙中各種高能天體物理現(xiàn)象，如超新星爆發(fā)、X射線爆發(fā)等，提供了關(guān)鍵的觀測依據(jù)。六、結(jié)論與展望6.1研究成果總結(jié)通過對LAMOST星系光譜疊加成分的深入分析，本研究取得了一系列具有重要科學(xué)價(jià)值的成果。在研究方法方面，創(chuàng)新性地拓展和應(yīng)用了基于光譜小尺度特征星族合成方法。該方法針對傳統(tǒng)基于全譜的星族合成方法對連續(xù)譜形狀敏感、依賴光譜質(zhì)量等局限性，聚焦于光譜中的小尺度特征，如特定元素的精細(xì)譜線、分子吸收帶的細(xì)微變化等，成功實(shí)現(xiàn)了對星系星族基本參數(shù)的有效測量。通過將該方法應(yīng)用于模擬星系數(shù)據(jù)和LAMOST、SDSS同源星系光譜數(shù)據(jù)的參數(shù)測量，驗(yàn)證了其準(zhǔn)確性和可靠性，為星系光譜成分分析提供了一種全新的、更為有效的途徑。在案例研究中，取得了多項(xiàng)關(guān)鍵成果。德州學(xué)院王麗麗副教授等人組成的研究團(tuán)隊(duì)，利用基于光譜小尺度特征星族合成方法，成功測量了LAMOST巡天中約43000個(gè)星系的平均年齡和金屬豐度等基本星族參數(shù)。該成果首次發(fā)布了LAMOST星系的星族基本參數(shù)星表，為深入研究星系的形成與演化歷史提供了重要的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，大大提高了LAMOST星系數(shù)據(jù)的利用率，推動(dòng)了星系天文學(xué)領(lǐng)域的發(fā)展。北京師范大學(xué)張若羿和苑海波教授等人，基于LAMOST光譜參數(shù)和GaiaXP無縫光譜，計(jì)算出了銀河系的平均消光曲線。該研究利用了GaiaDR3和LAMOSTDR7中大約五百萬個(gè)共同源的GaiaXP光譜，使用恒星配對法對消光曲線進(jìn)行直接測量，進(jìn)而使用約37萬個(gè)高質(zhì)量光譜計(jì)算出平均消光曲線。研究新發(fā)現(xiàn)了消光曲線上的一個(gè)中等尺度結(jié)構(gòu)（I