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巡天,我们到底是在“巡”找什么?

发稿时间:2021-12-04 10:21:00 编辑:李婧怡 来源: 科技日报

  “银河画卷”启动二期巡天,预计持续10年

  巡天,我们到底是在“巡”找什么?

  巡天是一项特别耗时、需要耐心的工作。它是人类探寻宇宙信息的基本手段,甚至是唯一的手段。先确定“新大陆”在哪,后期再利用望远镜进行有针对性地进一步观测,这样才更有效率。

  杨戟

  中国科学院紫金山天文台研究员、“银河画卷”巡天计划总负责人

  在青海省海西州德令哈市以东35公里,海拔3200米的戈壁滩上,一只巨大的白色“圆球”耸立在苍凉的群山之间。13.7米毫米波射电望远镜就在这里,持续地接收来自浩瀚星空的“神秘密码”。

  这是中国唯一一台工作在毫米波段的大型射电天文观测设备,主要针对星际分子云和恒星形成区、星际脉泽、晚期恒星包层物质、银河系结构与运动、气体与超新星相互作用、近邻星系、太阳系天体等天文和天体物理前沿领域开展观测研究。

  自2011年11月起,中国科学院紫金山天文台利用这台望远镜,开展了为期十年的“银河画卷”巡天计划,这10年间,巡天望远镜对北天银道面附近的一氧化碳及其同位素13CO和C18O三条分子谱线同时进行大天区观测。

  今年4月底,“银河画卷”一期计划结束,共完成银纬正负5度范围共2400平方度的探测覆盖,建立了毫米波分子谱线数据库。

  近日,为期10年的“银河画卷”二期巡天计划启动,将巡天区域扩展至银道面附近银纬正负10度的范围,未来将为多波段天文研究提供更广域的分子气体分布数据。

  科学追求永无止境。在技术不断迭代下,未来更大天区覆盖范围、更高灵敏度、更高分辨率的巡天,将为我们揭示更多来自遥远太空的奥秘。

  逐块扫描天空,进行拉网式观测

  巡天是一种对天空可扫描区域进行逐块无差别扫描的系统观测方式,就像是对天空进行“普查”。人类借助这种类似于拉网式的观测方式,来发现未知天体。

  “巡天是探寻宇宙信息的基本手段,甚至是唯一的手段。先确定‘新大陆’在哪,后期再利用望远镜进行有针对性地进一步观测,这样才更有效率。”中国科学院紫金山天文台研究员、“银河画卷”巡天计划总负责人杨戟告诉科技日报记者,巡天是一项特别耗时、需要耐心的工作。“银河画卷”一期计划,就是先把待巡查的太空空间划分为一万个大小为0.5度乘0.5度的方格,再逐个扫描这些小方格,扫完后拼接成一幅长218度、宽10度的大图像。

  基于巡天数据,“银河画卷”巡天计划的研究团队在分子云的大尺度分布、样本检测和距离测量,分子云结构和性质,分子外流与恒星形成的关联,银河系大尺度结构以及分子云与超新星遗迹的相互作用等方面,取得了系列研究成果。

  无论是一期还是二期项目,“一氧化碳分子谱线”都是“银河画卷”计划的观测核心,因为它能帮助科学家揭示分子气体温度、密度等性质。

  “目前科学家主要对星际空间中的一氧化碳、水、氨、甲醇、乙醇等分子进行观测分析,而一氧化碳是其中辐射最强的分子气体,也是星际分子中分布最广、最普遍的一种分子。而星际分子云是银河系和宇宙基本的物质形态。”杨戟介绍,从一氧化碳到13CO再到C18O,分子丰度逐渐降低,谱线强度也逐渐变弱。通过捕捉星际分子中的一氧化碳,人类可以观测集中了分子云大部分质量的外层云;而捕捉同位素分子C18O,可以观测分子云内部更致密的区域;同位素分子13CO则介于二者之间。

  “它们之间的丰度比,又可以反映出不同环境下伴随着分子云、恒星的形成与演化的物质循环反馈。这样的组合是其他谱线望尘莫及的。”杨戟说。

  不同科学目标,决定了巡天方式的不同

  “‘银河画卷’巡天计划是我国唯一在毫米波段的巡天项目。”杨戟解释,在毫米波段,大部分对宇宙的发现和理解都来自巡天项目。

  目前,我国已经出现若干有影响力的天文巡天项目,除了“银河画卷”计划,还有基于郭守敬望远镜(LAMOST)开展的光谱巡天观测、基于“中国天眼”500米口径球面射电望远镜(FAST)开展的脉冲星巡天观测等。

  “不同的科学目标,决定了观测的波段不同,巡天方式不同,获取的信息不同。”杨戟举例,如光学波段的巡天观测,主要是观测恒星和星系;而“银河画卷”的毫米波波段巡天,则是观测星际分子云。

  “由于探测信号、望远镜工作原理、信号记录方式的不同,巡天的方式也会有所不同。例如‘银河画卷’要对光谱的颜色(频谱)进行细致分辨,从而判断分子云的内部构成;而FAST要细致侦听脉冲星信号,来寻找其出现的位置。”杨戟说。

  在毫米波段对一氧化碳分子开展巡天观测,源自20世纪70年代。美国国立射电天文台口径约11米的毫米波望远镜(NRAO-11m),是首次发现一氧化碳分子、也是第一个开展巡天观测一氧化碳分子的望远镜。

  “虽然当时的巡天规模在当今看来充其量算个‘迷你简化版’巡天,数据质量也略显粗糙,但却极具开拓性。人们对于银河系内盘分子气体分布、旋转曲线和一氧化碳同位素丰度比的最初认识都是基于这些最初的巡天计划。”中国科学院紫金山天文台副研究员、“银河画卷”巡天骨干成员孙燕介绍。

  技术不断提升,未来巡天范围将扩大

  相较于全球,我国的巡天观测起步不算太早。

  孙燕介绍,我国13.7米毫米波射电望远镜于1990年初步建成。但直到1996年,该望远镜后端的3毫米波段半导体接收机才通过了工程验收。从那时起,它才开始在毫米波段工作。

  “这座望远镜在国际上同频段的望远镜中属于中等口径。但是在2010年之前,视场太小是其无法开展巡天的一大制约。在单波束接收机时代无偏大天区巡天几乎是小口径望远镜的独门绝技。”孙燕说。此外,该望远镜分辨率和灵敏度也不够高。

  临渊羡鱼不如退而结网。近年来,随着中国经济和科技的高速发展,中国的巡天事业也开始崭露头角。

  2010年底,我国成功自主研发了9波束边带分离型超导成像频谱仪并成功运用到13.7米毫米波望远镜,这意味着观测星空的眼睛从“一只眼”拓展到“9只眼”,视场范围较以往提高9倍;同时,边带分离技术加上巧妙的中频设置使得CO、13CO和C18O这三条在频率上相差高达6GHz的谱线,能够被1GHz带宽的频谱仪同时接收到;另外,快速扫描观测模式的应用也使望远镜的观测效率大大提高。

  “这些技术升级使得观测效率比以往提高了近60倍,赋予了13.7米毫米波射电望远镜大天区快速巡天的崭新能力。新的多谱线组合也让其拥有了以不同寻常的方式来探查星际空间分子气体的大尺度分布和性质的能力。”孙燕说。

  未来的巡天观测路在何方?杨戟认为,天文学观测追求看得更广、更远、更深、更细,永无止境。“未来的分子谱线巡天,范围将扩大、噪声将降低、信息量也将增加。”

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