巡天，我們到底是在“巡”找什么?

　　“銀河畫卷”啟動二期巡天，預(yù)計(jì)持續(xù)10年

　　巡天，我們到底是在“巡”找什么?

　　巡天是一項(xiàng)特別耗時(shí)、需要耐心的工作。它是人類探尋宇宙信息的基本手段，甚至是唯一的手段。先確定“新大陸”在哪，后期再利用望遠(yuǎn)鏡進(jìn)行有針對性地進(jìn)一步觀測，這樣才更有效率。

　　楊戟

　　中國科學(xué)院紫金山天文臺研究員、“銀河畫卷”巡天計(jì)劃總負(fù)責(zé)人

　　在青海省海西州德令哈市以東35公里，海拔3200米的戈壁灘上，一只巨大的白色“圓球”聳立在蒼涼的群山之間。13.7米毫米波射電望遠(yuǎn)鏡就在這里，持續(xù)地接收來自浩瀚星空的“神秘密碼”。

　　這是中國唯一一臺工作在毫米波段的大型射電天文觀測設(shè)備，主要針對星際分子云和恒星形成區(qū)、星際脈澤、晚期恒星包層物質(zhì)、銀河系結(jié)構(gòu)與運(yùn)動、氣體與超新星相互作用、近鄰星系、太陽系天體等天文和天體物理前沿領(lǐng)域開展觀測研究。

　　自2011年11月起，中國科學(xué)院紫金山天文臺利用這臺望遠(yuǎn)鏡，開展了為期十年的“銀河畫卷”巡天計(jì)劃，這10年間，巡天望遠(yuǎn)鏡對北天銀道面附近的一氧化碳及其同位素13CO和C18O三條分子譜線同時(shí)進(jìn)行大天區(qū)觀測。

　　今年4月底，“銀河畫卷”一期計(jì)劃結(jié)束，共完成銀緯正負(fù)5度范圍共2400平方度的探測覆蓋，建立了毫米波分子譜線數(shù)據(jù)庫。

　　近日，為期10年的“銀河畫卷”二期巡天計(jì)劃啟動，將巡天區(qū)域擴(kuò)展至銀道面附近銀緯正負(fù)10度的范圍，未來將為多波段天文研究提供更廣域的分子氣體分布數(shù)據(jù)。

　　科學(xué)追求永無止境。在技術(shù)不斷迭代下，未來更大天區(qū)覆蓋范圍、更高靈敏度、更高分辨率的巡天，將為我們揭示更多來自遙遠(yuǎn)太空的奧秘。

　　逐塊掃描天空，進(jìn)行拉網(wǎng)式觀測

　　巡天是一種對天空可掃描區(qū)域進(jìn)行逐塊無差別掃描的系統(tǒng)觀測方式，就像是對天空進(jìn)行“普查”。人類借助這種類似于拉網(wǎng)式的觀測方式，來發(fā)現(xiàn)未知天體。

　　“巡天是探尋宇宙信息的基本手段，甚至是唯一的手段。先確定‘新大陸’在哪，后期再利用望遠(yuǎn)鏡進(jìn)行有針對性地進(jìn)一步觀測，這樣才更有效率?！敝袊茖W(xué)院紫金山天文臺研究員、“銀河畫卷”巡天計(jì)劃總負(fù)責(zé)人楊戟告訴科技日報(bào)記者，巡天是一項(xiàng)特別耗時(shí)、需要耐心的工作?！般y河畫卷”一期計(jì)劃，就是先把待巡查的太空空間劃分為一萬個(gè)大小為0.5度乘0.5度的方格，再逐個(gè)掃描這些小方格，掃完后拼接成一幅長218度、寬10度的大圖像。

　　基于巡天數(shù)據(jù)，“銀河畫卷”巡天計(jì)劃的研究團(tuán)隊(duì)在分子云的大尺度分布、樣本檢測和距離測量，分子云結(jié)構(gòu)和性質(zhì)，分子外流與恒星形成的關(guān)聯(lián)，銀河系大尺度結(jié)構(gòu)以及分子云與超新星遺跡的相互作用等方面，取得了系列研究成果。

　　無論是一期還是二期項(xiàng)目，“一氧化碳分子譜線”都是“銀河畫卷”計(jì)劃的觀測核心，因?yàn)樗軒椭茖W(xué)家揭示分子氣體溫度、密度等性質(zhì)。

　　“目前科學(xué)家主要對星際空間中的一氧化碳、水、氨、甲醇、乙醇等分子進(jìn)行觀測分析，而一氧化碳是其中輻射最強(qiáng)的分子氣體，也是星際分子中分布最廣、最普遍的一種分子。而星際分子云是銀河系和宇宙基本的物質(zhì)形態(tài)?！睏铌榻B，從一氧化碳到13CO再到C18O，分子豐度逐漸降低，譜線強(qiáng)度也逐漸變?nèi)酢Ｍㄟ^捕捉星際分子中的一氧化碳，人類可以觀測集中了分子云大部分質(zhì)量的外層云;而捕捉同位素分子C18O，可以觀測分子云內(nèi)部更致密的區(qū)域;同位素分子13CO則介于二者之間。

　　“它們之間的豐度比，又可以反映出不同環(huán)境下伴隨著分子云、恒星的形成與演化的物質(zhì)循環(huán)反饋。這樣的組合是其他譜線望塵莫及的?！睏铌f。

　　不同科學(xué)目標(biāo)，決定了巡天方式的不同

　　“‘銀河畫卷’巡天計(jì)劃是我國唯一在毫米波段的巡天項(xiàng)目?！睏铌忉專诤撩撞ǘ?，大部分對宇宙的發(fā)現(xiàn)和理解都來自巡天項(xiàng)目。

　　目前，我國已經(jīng)出現(xiàn)若干有影響力的天文巡天項(xiàng)目，除了“銀河畫卷”計(jì)劃，還有基于郭守敬望遠(yuǎn)鏡(LAMOST)開展的光譜巡天觀測、基于“中國天眼”500米口徑球面射電望遠(yuǎn)鏡(FAST)開展的脈沖星巡天觀測等。

　　“不同的科學(xué)目標(biāo)，決定了觀測的波段不同，巡天方式不同，獲取的信息不同?！睏铌e例，如光學(xué)波段的巡天觀測，主要是觀測恒星和星系;而“銀河畫卷”的毫米波波段巡天，則是觀測星際分子云。

　　“由于探測信號、望遠(yuǎn)鏡工作原理、信號記錄方式的不同，巡天的方式也會有所不同。例如‘銀河畫卷’要對光譜的顏色(頻譜)進(jìn)行細(xì)致分辨，從而判斷分子云的內(nèi)部構(gòu)成;而FAST要細(xì)致偵聽脈沖星信號，來尋找其出現(xiàn)的位置?！睏铌f。

　　在毫米波段對一氧化碳分子開展巡天觀測，源自20世紀(jì)70年代。美國國立射電天文臺口徑約11米的毫米波望遠(yuǎn)鏡(NRAO-11m)，是首次發(fā)現(xiàn)一氧化碳分子、也是第一個(gè)開展巡天觀測一氧化碳分子的望遠(yuǎn)鏡。

　　“雖然當(dāng)時(shí)的巡天規(guī)模在當(dāng)今看來充其量算個(gè)‘迷你簡化版’巡天，數(shù)據(jù)質(zhì)量也略顯粗糙，但卻極具開拓性。人們對于銀河系內(nèi)盤分子氣體分布、旋轉(zhuǎn)曲線和一氧化碳同位素豐度比的最初認(rèn)識都是基于這些最初的巡天計(jì)劃?！敝袊茖W(xué)院紫金山天文臺副研究員、“銀河畫卷”巡天骨干成員孫燕介紹。

　　技術(shù)不斷提升，未來巡天范圍將擴(kuò)大

　　相較于全球，我國的巡天觀測起步不算太早。

　　孫燕介紹，我國13.7米毫米波射電望遠(yuǎn)鏡于1990年初步建成。但直到1996年，該望遠(yuǎn)鏡后端的3毫米波段半導(dǎo)體接收機(jī)才通過了工程驗(yàn)收。從那時(shí)起，它才開始在毫米波段工作。

　　“這座望遠(yuǎn)鏡在國際上同頻段的望遠(yuǎn)鏡中屬于中等口徑。但是在2010年之前，視場太小是其無法開展巡天的一大制約。在單波束接收機(jī)時(shí)代無偏大天區(qū)巡天幾乎是小口徑望遠(yuǎn)鏡的獨(dú)門絕技?！睂O燕說。此外，該望遠(yuǎn)鏡分辨率和靈敏度也不夠高。

　　臨淵羨魚不如退而結(jié)網(wǎng)。近年來，隨著中國經(jīng)濟(jì)和科技的高速發(fā)展，中國的巡天事業(yè)也開始嶄露頭角。

　　2010年底，我國成功自主研發(fā)了9波束邊帶分離型超導(dǎo)成像頻譜儀并成功運(yùn)用到13.7米毫米波望遠(yuǎn)鏡，這意味著觀測星空的眼睛從“一只眼”拓展到“9只眼”，視場范圍較以往提高9倍;同時(shí)，邊帶分離技術(shù)加上巧妙的中頻設(shè)置使得CO、13CO和C18O這三條在頻率上相差高達(dá)6GHz的譜線，能夠被1GHz帶寬的頻譜儀同時(shí)接收到;另外，快速掃描觀測模式的應(yīng)用也使望遠(yuǎn)鏡的觀測效率大大提高。

　　“這些技術(shù)升級使得觀測效率比以往提高了近60倍，賦予了13.7米毫米波射電望遠(yuǎn)鏡大天區(qū)快速巡天的嶄新能力。新的多譜線組合也讓其擁有了以不同尋常的方式來探查星際空間分子氣體的大尺度分布和性質(zhì)的能力?！睂O燕說。

　　未來的巡天觀測路在何方?楊戟認(rèn)為，天文學(xué)觀測追求看得更廣、更遠(yuǎn)、更深、更細(xì)，永無止境?！拔磥淼姆肿幼V線巡天，范圍將擴(kuò)大、噪聲將降低、信息量也將增加?！?/p>

來源：科技日報(bào)