巡天,我們到底是在「巡」找什麼?

原標題:巡天,我們到底是在「巡」找什麼? 來源:科技日報

「銀河畫卷」啟動二期巡天,預計持續10年

巡天,我們到底是在「巡」找什麼?

巡天是一項特別耗時、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,後期再利用望遠鏡進行有針對性地進一步觀測,這樣才更有效率。

楊戟

中國科學院紫金山天文台研究員、「銀河畫卷」巡天計劃總負責人

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,一隻巨大的白色「圓球」聳立在蒼涼的群山之間。13.7米毫米波射電望遠鏡就在這裏,持續地接收來自浩瀚星空的「神秘密碼」。

這是中國唯一一台工作在毫米波段的大型射電天文觀測設備,主要針對星際分子云和恆星形成區、星際脈澤、晚期恆星包層物質、銀河繫結構與運動、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域開展觀測研究。

自2011年11月起,中國科學院紫金山天文台利用這台望遠鏡,開展了為期十 年的「銀河畫卷」巡天計劃,這10年間,巡天望遠鏡對北天銀道面附近的一氧化碳及其同位素13CO和C18O三條分子譜線同時進行大天區觀測。

今年4月底,「銀河畫卷」一期計劃結束,共完成銀緯正負5度範圍共2400平方度的探測覆蓋,建立了毫米波分子譜線資料庫。

近日,為期10年的「銀河畫卷」二期巡天計劃啟動,將巡天區域擴展至銀道面附近銀緯正負10度的範圍,未來將為多波段天文研究提供更廣域的分子氣體分佈數據。

科學追求永無止境。在技術不斷迭代下,未來更大天區覆蓋範圍、更高靈敏度、更高解析度的巡天,將為我們揭示更多來自遙遠太空的奧秘。

逐塊掃描天空,進行拉網式觀測

巡天是一種對天空可掃描區域進行逐塊無差別掃描的系統觀測方式,就像是對天空進行「普查」。人類藉助這種類似於拉網式的觀測方式,來發現未知天體。

「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,後期再利用望遠鏡進行有針對性地進一步觀測,這樣才更有效率。」中國科學院紫金山天文台研究員、「銀河畫卷」巡天計劃總負責人楊戟告訴科技日報記者,巡天是一項特別耗時、需要耐心的工作。「銀河畫卷」一期計劃,就是先把待巡查的太空空間劃分為一萬個大小為0.5度乘0.5度的方格,再逐個掃描這些小方格,掃完後拼接成一幅長218度、寬10度的大圖像。

基於巡天數據,「銀河畫卷」巡天計劃的研究團隊在分子云的大尺度分佈、樣本檢測和距離測量,分子云結構和性質,分子外流與恆星形成的關聯,銀河系大尺度結構以及分子云與超新星遺迹的相互作用等方面,取得了系列研究成果。

無論是一期還是二期項目,「一氧化碳分子譜線」都是「銀河畫卷」計劃的觀測核心,因為它能幫助科學家揭示分子氣體溫度、密度等性質。

「目前科學家主要對星際空間中的一氧化碳、水、氨、甲醇、乙醇等分子進行觀測分析,而一氧化碳是其中輻射最強的分子氣體,也是星際分子中分佈最廣、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形態。」楊戟介紹,從一氧化碳到13CO再到C18O,分子丰度逐漸降低,譜線強度也逐漸變弱。通過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量的外層雲;而捕捉同位素分子C18O,可以觀測分子云內部更緻密的區域;同位素分子13CO則介於二者之間。

「它們之間的丰度比,又可以反映出不同環境下伴隨著分子云、恆星的形成與演化的物質循環反饋。這樣的組合是其他譜線望塵莫及的。」楊戟說。

不同科學目標,決定了巡天方式的不同

「『銀河畫卷』巡天計劃是中國唯一在毫米波段的巡天項目。」楊戟解釋,在毫米波段,大部分對宇宙的發現和理解都來自巡天項目。

目前,中國已經出現若干有影響力的天文巡天項目,除了「銀河畫卷」計劃,還有基於郭守敬望遠鏡(LAMOST)開展的光譜巡天觀測、基於「中國天眼」500米口徑球面射電望遠鏡(FAST)開展的脈衝星巡天觀測等。

「不同的科學目標,決定了觀測的波段不同,巡天方式不同,獲取的信息不同。」楊戟舉例,如光學波段的巡天觀測,主要是觀測恆星和星系;而「銀河畫卷」的毫米波波段巡天,則是觀測星際分子云。

「由於探測信號、望遠鏡工作原理、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)進行細緻分辨,從而判斷分子云的內部構成;而FAST要細緻偵聽脈衝星信號,來尋找其出現的位置。」楊戟說。

在毫米波段對一氧化碳分子開展巡天觀測,源自20世紀70年代。美國國立射電天文台口徑約11米的毫米波望遠鏡(NRAO-11m),是首次發現一氧化碳分子、也是第一個開展巡天觀測一氧化碳分子的望遠鏡。

「雖然當時的巡天規模在當今看來充其量算個『迷你簡化版』巡天,數據質量也略顯粗糙,但卻極具開拓性。人們對於銀河系內盤分子氣體分佈、旋轉曲線和一氧化碳同位素丰度比的最初認識都是基於這些最初的巡天計劃。」中國科學院紫金山天文台副研究員、「銀河畫卷」巡天骨幹成員孫燕介紹。

技術不斷提升,未來巡天範圍將擴大

相較於全球,中國的巡天觀測起步不算太早。

孫燕介紹,中國13.7米毫米波射電望遠鏡於1990年初步建成。但直到1996年,該望遠鏡後端的3毫米波段半導體接收機才通過了工程驗收。從那時起,它才開始在毫米波段工作。

「這座望遠鏡在國際上同頻段的望遠鏡中屬於中等口徑。但是在2010年之前,視場太小是其無法開展巡天的一大制約。在單波束接收機時代無偏大天區巡天幾乎是小口徑望遠鏡的獨門絕技。」孫燕說。此外,該望遠鏡解析度和靈敏度也不夠高。

臨淵羡魚不如退而結網。近年來,隨著中國經濟和科技的高速發展,中國的巡天事業也開始嶄露頭角。

2010年底,中國成功自主研發了9波束邊帶分離型超導成像頻譜儀並成功運用到13.7米毫米波望遠鏡,這意味著觀測星空的眼睛從「一隻眼」拓展到「9隻眼」,視場範圍較以往提高9倍;同時,邊帶分離技術加上巧妙的中頻設置使得CO、13CO和C18O這三條在頻率上相差高達6GHz的譜線,能夠被1GHz帶寬的頻譜儀同時接收到;另外,快速掃描觀測模式的應用也使望遠鏡的觀測效率大大提高。

「這些技術升級使得觀測效率比以往提高了近60倍,賦予了13.7米毫米波射電望遠鏡大天區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佈和性質的能力。」孫燕說。

未來的巡天觀測路在何方?楊戟認為,天文學觀測追求看得更廣、更遠、更深、更細,永無止境。「未來的分子譜線巡天,範圍將擴大、雜訊將降低、信息量也將增加。」

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