巡天，我們到底是在“巡”找什么?

　　“銀河畫卷”啟動(dòng)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(duì)性地進(jìn)一步觀測(cè)，這樣才更有效率。

　　楊戟

　　中國(guó)科學(xué)院紫金山天文臺(tái)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(lái)自浩瀚星空的“神秘密碼”。

　　這是中國(guó)唯一一臺(tái)工作在毫米波段的大型射電天文觀測(cè)設(shè)備，主要針對(duì)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(dòng)、氣體與超新星相互作用、近鄰星系、太陽(yáng)系天體等天文和天體物理前沿領(lǐng)域開展觀測(cè)研究。

　　自2011年11月起，中國(guó)科學(xué)院紫金山天文臺(tái)利用這臺(tái)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(duì)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(cè)。

　　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(cè)覆蓋，建立了毫米波分子譜線數(shù)據(jù)庫(kù)。

　　近日，為期10年的“銀河畫卷”二期巡天計(jì)劃啟動(dòng)，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(lái)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(wú)止境。在技術(shù)不斷迭代下，未來(lái)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(lái)自遙遠(yuǎn)太空的奧秘。

　　逐塊掃描天空，進(jìn)行拉網(wǎng)式觀測(cè)

　　巡天是一種對(duì)天空可掃描區(qū)域進(jìn)行逐塊無(wú)差別掃描的系統(tǒng)觀測(cè)方式，就像是對(duì)天空進(jìn)行“普查”。人類借助這種類似于拉網(wǎng)式的觀測(cè)方式，來(lái)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(duì)性地進(jìn)一步觀測(cè)，這樣才更有效率?！敝袊?guó)科學(xué)院紫金山天文臺(tái)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?qǐng)?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(wàn)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(zhǎng)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(cè)和距離測(cè)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(wú)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(cè)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(duì)星際空間中的一氧化碳、水、氨、甲醇、乙醇等分子進(jìn)行觀測(cè)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)?。通過捕捉星際分子中的一氧化碳，人類可以觀測(cè)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(cè)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。”楊戟說(shuō)。

　　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(guó)唯一在毫米波段的巡天項(xiàng)目?！睏铌忉?，在毫米波段，大部分對(duì)宇宙的發(fā)現(xiàn)和理解都來(lái)自巡天項(xiàng)目。

　　目前，我國(guó)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(cè)、基于“中國(guó)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(cè)等。

　　“不同的科學(xué)目標(biāo)，決定了觀測(cè)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(cè)，主要是觀測(cè)恒星和星系;而“銀河畫卷”的毫米波波段巡天，則是觀測(cè)星際分子云。

　　“由于探測(cè)信號(hào)、望遠(yuǎn)鏡工作原理、信號(hào)記錄方式的不同，巡天的方式也會(huì)有所不同。例如‘銀河畫卷’要對(duì)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(hào)，來(lái)尋找其出現(xiàn)的位置。”楊戟說(shuō)。

　　在毫米波段對(duì)一氧化碳分子開展巡天觀測(cè)，源自20世紀(jì)70年代。美國(guó)國(guó)立射電天文臺(tái)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(cè)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(lái)充其量算個(gè)‘迷你簡(jiǎn)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(duì)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(shí)都是基于這些最初的巡天計(jì)劃?！敝袊?guó)科學(xué)院紫金山天文臺(tái)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(lái)巡天范圍將擴(kuò)大

　　相較于全球，我國(guó)的巡天觀測(cè)起步不算太早。

　　孫燕介紹，我國(guó)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(guó)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(chǎng)太小是其無(wú)法開展巡天的一大制約。在單波束接收機(jī)時(shí)代無(wú)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(shuō)。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(lái)，隨著中國(guó)經(jīng)濟(jì)和科技的高速發(fā)展，中國(guó)的巡天事業(yè)也開始嶄露頭角。

　　2010年底，我國(guó)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(cè)星空的眼睛從“一只眼”拓展到“9只眼”，視場(chǎng)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(cè)模式的應(yīng)用也使望遠(yuǎn)鏡的觀測(cè)效率大大提高。

　　“這些技術(shù)升級(jí)使得觀測(cè)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(lái)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(shuō)。

　　未來(lái)的巡天觀測(cè)路在何方?楊戟認(rèn)為，天文學(xué)觀測(cè)追求看得更廣、更遠(yuǎn)、更深、更細(xì)，永無(wú)止境?！拔磥?lái)的分子譜線巡天，范圍將擴(kuò)大、噪聲將降低、信息量也將增加?！?/p>

來(lái)源：科技日?qǐng)?bào)