LAMOST 介绍郭守敬望远镜

大天区面积多目标光谱光学天文望远镜The Large Sky Area Multi-Object FiberSpectroscopic Telescope Project (LAMOST)

望远镜发明 400 年后的天文仪器和技术

由于观测手段的迅速发展，天文学观测向着“全波段、大样本、巨信息量”的方向发展。

追求更大的集光本领和更大的视场。

追求更高的空间、时间和光谱分辨率。

天文观测的瓶颈—大规模光谱巡天

光学波段光谱的物理信息含量最大、积累最多、运用也最成熟，有了光谱才能精确研究天体的化学成分和物理状态 (温度、压力、磁场、电场、视向速度 )；大规模的成像巡天已经记录下数以百亿计的天文目标，但只有很小一部分（约万分之一）进行过光谱测量，大天区范围的光谱巡天已成为天文观测的突破口。

大口径兼备大视场望远镜

大天区范围内的大规模光谱测量，必须具备两个条件：一是望远镜的口径必须足够大； 二是望远镜必须有足够大的视场 。长期以来，由于材料和工艺的限制，“大口径和大视场难以兼备”是天文学上的一个难题。

大视场兼备大口径的突破

LAMOST— 中星仪式主动反射施密特望远镜——王 - 苏反射施密特望远镜

巧妙地将光轴固定在子午面内（即镜筒固定不做跟踪），用反射施密特改正镜跟踪观测天体

创新地用主动光学产生常规方法不能实现的望远镜光学系统，在观测跟踪天体的过程中实现一系列的不同的非球面面形的大反射镜；

此方案解决了国际上大视场的施密特望远镜口径做不大的难题，与目前国际上已有的方案比真正突破了大视场不能兼顾大口径的瓶颈。

Structure of LAMOST

法国天文光学专家Gerard R. Lemaitre 教授Observatoire Astronomique Marseille Provence, France

对天文光学来说最不寻常的是 LAMOST这种大口径望远镜的设计和建造并没有从任何该类型的小望远镜那里获益，因为过去没有这种望远镜。

主要指标

LAMOST 的观测能力

主要技术挑战

主动光学技术 （薄镜面 +拼接镜面主动光学） 4000 根光纤的定位 （分区并行，无线控制） 大口径六角形高精度超薄镜面的磨制和检测

（环抛 +主动检测） 大口径超薄镜面的高精度主动支撑技术

（系统分层，主被动叠加，串并控制结合） 8 米地平式机架的精确跟踪控制系统 (包括焦面象场旋转补偿 )

16 台多目标光纤光谱仪和 32 台 4kX4kCCD 40米光路上气流影响的改善 海量数据自动处理

Xinglong Station, NAOC

the site

Nanjing: NIAOT (NAOC)

Telescope

Instruments

Hefei: USTC

Science

Beijing: NAOC

Project HQ

Instruments & Software

Science

MB: 37块子镜 （ 6.67米 X6.05米）

MA: 24块子镜 （ 5.72米 X4.4米）

24块 MA 子镜和 37块 MB 子镜的主动光学控制

April 25, 2009

FWHM<10pixel, about 2 arc seconds

Active corrected to 0.3-0.4 arcsecWith Seeing 1.7-2 arcsec

2008.12.15-16 测试光学像质

Statis tics

0

5

10

15

20

25

30

0.2 0.5 0.8 1.1 1.4 1.7 2 2.3 2.6 2.9 3.2 3.5 3.8 8.3

EE80(arcsec)

Times

80% 光浓度平均值 =0.531 角秒，

80% 光浓度最好值 =0.189 角秒

观测跟踪时间： 180 分钟

与国际上 8-10米望远镜成像质量相当！

英澳 2dF ：磁扣式光纤定位系统。 400 根光纤固定在微小的磁扣上 ,由机器人手臂布置磁扣。

创造性地提出并实现了 4000 根光纤在焦面上的快速精确定位的并行可控式光纤定位系统，大胆地采用无线遥控，使 LAMOST 的光纤定位水平在国际上提高一个数量级的。

LAMOST 的分小区并行可控双回转光纤定位技术

光纤精度小于40um定位时间小于15 分钟

美国 SDSS ：打孔式光纤定位系统，完成所有的观测任务需要约 2000 块焦面板。观测前手工将

640 根光纤植入孔中。

创新的光纤定位技术

焦面 4000 根光纤及其观测跟踪系统

由焦面板、 4000 个光纤定位单元，和无线 控制驱动的 8000 个步进电机组成

多目标光纤光谱仪

16 台中低色散多目标光纤光谱仪； 每台狭缝可安排 250 根光纤； 低分辨率模式（光谱分辨率 1000- 2000 ）

蓝区 370nm-590nm，

红区 570nm-900nm，

每台光谱仪还可以增加中分辨率光栅，使光谱

分辨率本领达到 5000-10000。

LAMOST— 高技术的光机电计算机集成

61 块 1.1m六角形光学镜面和子镜支撑系统 2 维运动 8m 直径回转平台的地平式机架 5 维运动的焦面跟踪机架 6m和 7m镜面支撑结构 9084 只电机 4000 根光纤（ 130km）和光纤定位单元 16 台多目标光纤光谱仪 32 台 4kx4k CCD 相机 251 台控制计算机 80 万条（行）软

LAMOST将会是一个适合于研究广泛领域中重大天体物理问题的世界级巡天设备。

鉴于其集光面积和光纤数目， LAMOST潜在的功能将比 SDSS数字巡天和 2dF高出 10到 15倍。如果能达到了这样高的指标，它将是一个巨大的飞越，并打开了一个广阔的“探索空间”。

LAMOST将会有非常好的科学产出。望远镜一定能够在河外天文学与银河系天文学方面产生世界级的研究成果。

国际评估LAMOST

美国《 Science》对LAMOST 的报道 国际评估专家，芝加哥大学 Don. York 教授

说：

由于 LAMOST 的令人畏惧的技术挑战，并不是每个中国的科学家都是倾心于 LAMOST ，但我是 LAMOST 的 fan 中的一个。

LAMOST 非常漂亮，已经完成了他的工程目标，并且即将开始科学测试。

。。。

Multi-object spectroscopic has rich heritage but it only goes back to about 1970s on large

telescopes. My first encounter with LAMOST project was when I was in Cambridge England, and we

had a visitation from Chinese astronomers who were proposing the LAMOST project, the extremely

exciting ambitious, and during the time the England involved in the 2dF red shift survey which

was a modest 400 fibers on a 4m telescope. If I can just agress a moment we have seen so much

discovery space with the 2dF survey and it is comparative survey in United States for Sloan

Digital Sky Survey. But it shows us so much value in spectroscopy. I think spectroscopy is a

fundamental aspect of astronomy. Someone neglected over the last 5 years we commissioned the

large numbers of imaging telescopes, the PanStarrs, the Dark Energy Survey, VISTA UK infrared

survey, huge investment in imaging. And time to time again, we learned we need spectra to

interpret the objects. And Chinese astronomy is now in tremendously powerful position to for

international envying in China to exploit these new imaging surveys. I am fully confident I have

been in a workshop that Chinese astronomy was rised for the challenge of making the extremely

important collaborate adventures with the international astronomy.

。。。

Richrd Ellis ，美国加州理工学院技术研究所天文学部的斯蒂尔教授、光学天文台台长，曾任英国剑桥大学天文研究所所长

光谱是天文研究中最重要的一个方面。有些人

没有注意到过去的 5 年中许多成像巡天望远镜

的开始投入使用，… 但是我们还是不断地意识

到我们需要光谱信息才能深入研究天体。现在

中国天文界在大视场光谱巡天方面占据了强有

力的位置，足以让国际天文同行羡慕中国可以

充分利用这些新的成像巡天观测结果。

2009 年 6月通过国家发改委组织的国家验收 2009 年 7 年至 2011 年 8月科学测试观测 2011 年 9月开始光谱巡天观测

世界上光谱获取率最高、最有威力的光谱巡天望远镜

国家重大科学工程 LAMOST

10月 26日M31 天区

M31 星系新的行星状星云

（ 17 ）

新发现 21个类星体

33

LAMOST新近取得的科学成果

LAMOST是一架由我国自主创新的新概念望远镜，目前唯一能够做到极大口径的大视场望远镜类型

LAMOST是目前世界上光谱获取率最高的望远镜 LAMOST的建成将使人类观测天体光谱的数目提高一个数量级（至千万量级），为中国在大样本天文学特别是宇宙学、暗能量探索 , 星系的形成演化和银河系结构研究走到国际前沿创建了平台，将使我国在该领域处于国际领先地位。

LAMOST 概述

LAMOST科学观测计划

国家天文台“ LAMOST 科学委员会”确定了 LAMOST 总的利用计划是：

LAMOST具有在 20平方度视场内一次曝光获取 4000 条天体光谱的能力，考虑到 LAMOST巡天计划安排（包括其他大型巡天）和观测台址兴隆的气象条件，计划利用 LAMOST在北银冠 7700平方度（ SDSS测光巡天区域）和南银冠 3500平方度的天区（ LAMOST天区），在正式观测的 5年周期内分别完成银河系内（河内）及银河系外（河外）光谱巡天：即计划得到 750 万条的银河系恒星光谱和 650 万个河外天体的光谱。

WMAP Team 星系并合现代星系

100 万

年

1亿

年

10亿年137亿

年

第一代恒星

宇宙背景辐射

黑暗时期

大爆炸

当代天文学要解决的科学问题

暗物质暗能量黑洞

宇宙起源物质起源生命起源

河外星系光谱巡天 Spectroscopic Surveys in the NGC of 7700 sq

degrees (SDSS sky) and in the SGC of about 3500 sq degrees: Galaxies of r<19.5 in 3700 sq deg; 90 min ； Galaxies of r<18.8 in the rest 7500 sq deg ；

30 min Luminous Red Galaxies (LRGs) of ideV<20.0 ；

QSOs of i<20.5, combining UKIDSS if available;

A data base of 7 million extragalactic spectra

研究宇宙近 40 亿年的演化

系统比较高红移（较远、较早）和低红移（较近、较晚）星系及空间分布，研究宇宙近期的演化

宇宙年龄 130 亿年，在最近 40 亿年的演化是缓慢的，所以需要大样本。LAMOST的优势：

大样本 (数目 10倍于 SLOAN）大时间跨度（ 2 倍于 SLOAN）

LAMOST 主星系样本预研究

距今 24亿年

距今 49亿年

暗星系样本的两点相关函数

星系的分布

SLOAN

LAMOST

LAMOST

SLOAN

Simulations of NGC LRGs 距今 42亿年

距今 67亿年

赤道两侧 3度范围内的亮红星系的分布情况（模拟）

SLOAN 2

LAMOSTLAMOST

SLOAN 2

Two-point CF

Cheng LI

Constraining the EOS of dark energy, e.g.,w(z)=w0+w1 z/(1+z)

Wang,X, Chen,X et al. Hong LI et al.

QSO sample Since part of the QSO sample is based on

UKIDSS , it is very useful for studying obscured quasars, testing the unified model of AGN and constraining the growth history of super massive black holes;

Will probably detect the luminosity dependence of QSO clustering, and be very powerful to study the coevolution of galaxies and central black holes

Will be an ideal sample to explore DE at z=2;

银河系恒星光谱巡天

高银纬巡天银盘和疏散星团巡天 反银心巡天

为什么需要上百万的恒星光谱回答关于星系形成和演化方面的一些以前不能回答的重大问题 ?

只有在银河系里，我们才可以得到海量恒星的三维空间分布和三维空间速度；

只有在银河系，我们才有可能通过位置、运动学、年龄和金属丰度等天体物理信息识别那些可以跟某些既往并合事件耦合起来的恒星；

只有对银河系我们可以测量三维的引力势结构； 只有在银河系，我们可以在足够高分辨本领下观测足够亮的恒星用以探

究真正第一代恒星的秘密。 星系的形成是通过观测遥远的河外星系来研究的，因为他们可以提供一幅宏观的图像。大视场多光纤望远镜的出现，使得我们第一次可以实现对银河系的足够大的区域在足够高的细节上逐一对恒星进行测量，从而把以前关于银河系整体结构与并合过程的片段历史粘接在一起

水星

金星

地球

银盘

核球

银晕

银河系结构

LAMOST获得的恒星光谱

恒星光谱：恒星类型恒星距离 空间分布视向速度物理条件：温度、密度、压强化学组成年龄等

人马座矮星系潮汐流

麒麟座星流

银河系结构银河系结构

SDSS发现的潮汐流

潮汐流证据

Sun

SEGUE

1,000平方度

LAMOST恒星光谱

巡天范围

LAMOST 12,000平方度

“广度”和“深度”

银河系化学演化

锂丰度

不同元素起源的天体物理环境

关键：建立大样本恒星光谱观测数据

物质元素是在什么时候、什么地方、通过什么方式形成和如何演化的

特定的元素

可以探索不

同天体形成

的物理环境

星系演化过程的化学丰度分布

丰度的确定，使我们可以推断天体在演化过程中所处的阶段及年龄等信息

研究银河系化学演化历史

不同组成成份的恒星的元素丰度是不同的，利用此性质可区分恒星所属成份

低 [α /Fe] 和运动学参数异常的贫金属恒星被认为是银河系与附近星系的并合等相互作用过程的观测证据

利用丰度研究银河系并合历史

银河系暗物质分布

重子物质分布 暗物质分布

银河系引力势

恒星运动轨迹海量恒星的动力学信息

特殊天体的发现：海量光谱的自动分析

提取恒星光谱的特征并进行分类，并计算恒星的基本物理参数：有效温度、重力加速度和金属丰度；

参考所获取的物理参数并结合其它性质，利用数据挖掘技术，搜索贫金属星和极端贫金属星的候选体；

优化视向速度的自动计算方法并测量所有观测恒星的视向速度，根据视向速度寻找银河系中的高速星；

通过非监督聚类，寻找特殊离群数据点，从而挖掘出银河系内的特殊天体。

大爆炸后的时标

[Fe/H] = 0.0

[Fe/H] = -4.0

[Fe/H] = -5.45

[Fe/H] = −∞

HE 1327-2326Fe/H ＝ 1/8,700,000,000

搜寻特殊天体——贫金属星、高速星

寻找“第一代恒星”

MPIA, January 09

高速星（ HVS）估计银河系中共有约 1000颗高速星， 2005 年在 SDSS 巡天光谱中发现了第一个后，到目前共发现了 10几颗。

高速星：银河系中心黑洞、暗物质的引力势

LAMOST 将发现超过 50颗高速星 .

In the region |b|<30°, 150°<l<210°:(1) We will use a weighted random selection of 2MASS

objects with J<15.8. Proper motion and color may be used in the weighted selection. About one in five objects will be observed, making sure that each population of stellar type is well sampled statistically.

The goals of the anticenter survey are to study the composition, kinematics and structure of the thin and thick disks and their interface with the halo; and to study disk substructure (including streams). F main sequence stars will be observed to six kiloparsecs from the Sun (fourteen kpc from the Galactic center).

Anticenter Survey

LAMOST Galactic Anti-Center Survey (LGACS) footprint

3/21

SGC

NGC

12/21

9/21

6/21

GAC

NP

SP

GAC: α= 05h45m37s.20 δ=28º56′10″.2

Disk Survey

Select bright stars (V<16) from GSC II, with positions from 2MASS and proper motions from UCAC3. We will not use dereddened magnitudes for bright stars near the Galactic plane. Note that very bright stars in GSC II overlap with the Tycho 2 catalog, which will supply position and proper motions without additional cross-matching.

In the region |b|<20°, 20°<l<230° (but little data for l<80°):

(1) Select all bright O, B, T Tauri, and HH stars from a special list of known objects.

(2) Within 0.5° radius of any open cluster, select only stars with proper motion, color, magnitude consistent with cluster membership (these object lists may be generated from separate special catalogs).

(3) Observe bright (V<12) K and M stars from the Tycho 2 catalog.

(4) Randomly select stars from the magnitude-limited sample.

2011 年度 LAMOST 光谱巡天试观测

利用选区观测来开展：

（ 1）银河系结构与演化

LAMOST 巡天光谱将用于更深入的探究银河系晕族恒星的结构、形成与演化，并研究盘族恒星的动力学性质、形成历史以及化学与动力学演化。

（ 2）河外巡天样本的观测

通过选区观测确认 LAMOST的大规模、大范围的光谱巡天观测的一致性，同时开展河外天文学（如类星体的观测）的研究。

基于 LAMOST 巡天的国际合作

与美国斯隆数字巡天（ SDSS）合作 与美国主导的全景巡天望远镜和快速反应系统 （ Pan-STARRS）合作

与欧洲全球天体测量卫星（ GAIA）合作 与德国视向速度实验巡天（ RAVE）合作 日本国立天文台 SUBARU/国家天文台 LAMOST 合作 韩国天文与空间科学研究院

河外巡天计划的合作