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巡天,我们到底是在“巡”找什么?


时间:2021-11-24  来源:  作者:  点击次数:


“银河画卷”开始了第二阶段的巡天工作,预计持续10年。

环顾天空,我们在寻找什么?

测量天空是一项特别耗时和耐心的工作。它是人类探索宇宙信息的基本手段,甚至是唯一手段。先确定“新大陆”在哪里,再利用望远镜进行后期有针对性的进一步观测,效率更高。

杨吉

中国科学院紫金山天文台研究员、“银河卷轴”巡天计划总经理

在青海省海西州德令哈市以东35公里的戈壁滩上,海拔3200米,一个巨大的白色“球”矗立在荒凉的群山之间。13.7米的毫米波射电望远镜就在这里,不断接收着来自浩瀚星空的“神秘密码”。

这是国内唯一在毫米波频段工作的大型射电天文观测设备。主要聚焦于天文学和天体物理学的前沿领域,如星际分子云和恒星形成区、星际微波激射器、晚恒星包层材料、银河系的结构和运动、气体与超新星、邻近星系、太阳系天体的相互作用等。

自2011年11月起,中国科学院紫金山天文台利用该望远镜开展了为期10年的“银河图”巡天计划。在这10年时间里,巡天望远镜在银道面附近的北方天空同时观测到了一氧化碳及其同位素13CO和C18O的三条分子谱线。

今年4月底,“银河画卷”一期建成,累计完成银纬正负5度范围内2400平方度探测覆盖,建立了毫米波分子谱线数据库。

近日,为期10年的“银河卷轴”二期巡天计划启动,将巡天区域扩大到银光面附近银纬度正负10度范围,将为未来多波段天文研究提供更广泛的分子气体分布数据。

对科学的追求是无止境的。随着技术的不断迭代,未来覆盖范围更大、灵敏度更高、分辨率更高的测量将为我们揭示更多来自遥远空间的奥秘。

  逐块扫描天空,进行拉网式观测

天空测量是一种系统的观测方法,它不加区别地逐块扫描天空的可扫描区域,就像天空的“一般测量”。借助这种类似拉网式的观测方法,人类可以发现未知天体。

“巡天是探索宇宙信息的基本手段,甚至是唯一手段。先确定‘新大陆’在哪里,之后再用望远镜进行有针对性的进一步观测,效率更高。”中国科学院紫金山天文台研究员、“银河卷轴”巡天计划总经理杨吉告诉科技日报记者,巡天是一项特别费时、特别有耐心的工作。“银河画卷”的第一阶段是将待检空间分成10000个大小为0.5度0.5度的正方形,然后逐一扫描这些正方形,再拼接成一个长218度、宽10度的大图像。

“银河卷轴”调查项目研究团队基于调查数据,在分子云的大尺度分布、样品探测与测距、分子云的结构与性质、分子外流与恒星形成的关系、银河系的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一系列研究成果。

无论是项目一期还是二期,“一氧化碳分子谱线”都是“银河图片”项目的观测核心,因为它可以帮助科学家揭示分子气体的温度、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和分析,而一氧化碳是其中辐射最广的分子气体,也是星际分子中分布最广、最常见的分子。星际分子云是银河系和宇宙的基本物质形态。”杨吉介绍,从一氧化碳到13CO再到C18O,分子丰度逐渐降低,谱线强度也逐渐减弱。通过捕获星际分子中的一氧化碳,人类可以观察到聚集了大部分质量的外层云

“它们之间的丰度比可以反映不同环境下分子云和恒星形成演化所伴随的物质循环反馈。这种组合超出了其他谱线的范围。”杨奇说。

  不同科学目标,决定了巡天方式的不同

“此次‘银河卷轴’巡天计划是国内唯一的毫米波频段巡天项目。”杨吉解释说,在毫米波波段,对宇宙的大部分发现和认识都来自于勘测项目。

目前国内已有多项有影响力的天文测量项目,包括“银河画卷”项目、基于郭守敬望远镜的光谱测量和基于“五百米口径球面射电望远镜(FAST)”500米球面射电望远镜(FAST)的脉冲星测量。

“不同的科学目标决定了观测波段不同,调查方法不同,获取的信息也不同。”比如杨基,比如在光学波段观察天空,主要观察恒星和星系;“银河卷轴”的毫米波波段勘测是为了观测星际分子云。

“由于探测信号、望远镜工作原理和信号记录方式的不同,勘测天空的方式也会有所不同。比如‘银河图’要仔细分辨光谱的颜色(光谱),从而判断分子云的内部成分;FAST应该仔细聆听脉冲星信号,找到它的位置。”杨奇说。

毫米波波段一氧化碳分子的研究起源于20世纪70年代。美国国家射电天文台的毫米波望远镜(NRAO-11m),孔径约11米,是第一台发现一氧化碳分子的望远镜,也是第一台巡天观测一氧化碳分子的望远镜。

“虽然当时的调查规模充其量是目前的‘迷你简化版’调查,数据质量略显粗糙,但极具开创性。人们对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初步认识就是基于这些初步调查。

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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