用这种平平无奇的气体,我们正在绘制“银河画卷”

作者: 孙燕, 杨戟

来源: 科学大院

发布日期: 2021-11-17

中国的“银河画卷”项目通过毫米波巡天,揭示了银河系内分子气体的分布和性质,展现了巡天技术在现代天文学中的重要性。

在过去的10年中,中国的“银河画卷”用一台望远镜+40个人完成了第一期CO及其同位素的巡天。最近,“银河画卷”开始了第二期巡天,预计也将持续10年。北银盘315平方度局部天区毫米波段CO/13CO/C18O分子辐射合成图像(上图)以及光学图像(下图)。图像分别源自“银河画卷”毫米波巡天和Pan-STARRS光学巡天。

巡天,其实就是“普查”工作。天文学是以观测发现为特点的学科,无目标盲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,就像是对天体进行“普查”,它是发现未知天体的一种基本方式,包容的数据和意外的发现,可以满足科学家的多样需求。巡天模式还利于实现望远镜的观测效率最大化,可谓是能够造福整个天文界的高效运行模式。

CO是最强辐射的分子气体,作为星际分子中最普遍的一种分子,直到1970年才被威尔逊、杰菲茨和彭齐亚斯在猎户座中发现[1],巧合的是第一和第三作者正是那两位因意外发现微波背景辐射而获得诺贝尔奖的工程师。CO的同位素分子13CO和C18O,也在1971年被他们发现[2]。这三谱线组合可谓是揭示分子气体的温度和密度等物理性质,和化学性质的“黄金搭档”。

从CO→13CO→C18O,分子丰度逐渐降低,发射范围逐步变小,谱线强度逐渐变弱。CO可以观测到集中了分子云大部分质量的外层云,同位素分子C18O可以观测到分子云内部更致密的区域,而同位素分子13CO介于二者之间。同时它们之间的丰度比,又可以反映出不同环境下伴随着恒星形成与演化的物质循环反馈[3]。这样的组合是其它谱线所望尘莫及的。

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[6],这一提升把以往一只眼拓展到9只眼睛同时观测星空,视场提高9倍;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,总体上这些升级使得观测效率比以往提高了近60倍。

“银河画卷”巡天(MWISP)项目I期于2011年9月正式启动,对北银道面可观测天区银纬±5°范围约2400平方度的天区进行CO、13CO和C18O无偏盲巡。历经10年约40人特别是13.7米望远镜运行人员夜以继日地努力,一副炫美的银河彩图终于绘制完成!至此,毫米波彩色图像时代的全面到来让CO巡天又迈上了一个新的台阶,美貌与智慧并存,不明显偏科的巡天数据库已然建立。

当然不是,巡天在众多方面仍然有提高的空间。虽然随着MWISP灵敏度的提高,其检测到的总流量已有显著提升(达到CfA1.2m望远镜CO巡天和FCRAO-14m望远镜OGS巡天的1.6倍),但是通过外推插值粗略地自估,MWISP在当前的灵敏度下流量探测完备率平均来看也仅58%,仍然有漏网之鱼。而且流量丢失的程度随着距离的增大迅速增大。

例如,在银盘边缘的外盾牌-半人马臂(OSC)上,MWISP与OGS和CfA巡天所探测到的流量的比值分别达到7.4和43.8,MWISP在该旋臂段的流量完备性也只有32%[7]。由此不难理解,当前的巡天对银河系的探测能力还相当局限。

新的梦想已经起航,可以预期下一个十年CO分子谱线巡天将更上一层楼。但即便如此,这些巡天范围也仅是天空中很小一部分,更多需要仔细巡视的区域,如我们耳熟能详的猎户座、金牛座、蛇夫座…就目前的技术现状,仍无法有效覆盖,还远在巡视范围之外。科学追求无止境,技术需求亦无止境,巡天总在路上,更大天区覆盖范围、更高灵敏度、更高分辨率、更高效……是巡天亘古不变的追求。

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