這種平平無奇的氣體，帶我們繪制最美“銀河畫卷”

（本文首發(fā)于“科學大院”）

在過去的10年中，中國的“銀河畫卷”用一臺望遠鏡+40個人完成了第一期CO及其同位素的巡天。最近，“銀河畫卷”開始了第二期巡天，預計也將持續(xù)10年。

北銀盤315平方度局部天區(qū)毫米波段CO/13CO/C1?O分子輻射合成圖像（上圖）以及光學圖像（下圖）。圖像分別源自“銀河畫卷”毫米波巡天和Pan-STARRS光學巡天 。? 圖片來源：上圖來自作者，下圖來自Aladin sky Atlas

那么巡天是什么？“銀河畫卷”究竟要做什么？本文以親歷者的身份帶大家探個究竟吧。

巡天，其實就是“普查”工作

天文學是以觀測發(fā)現(xiàn)為特點的學科，無目標盲巡天是一種對天空可掃描區(qū)域進行逐塊無差別掃描的系統(tǒng)觀測方式，就像是對天體進行“普查”，它是發(fā)現(xiàn)未知天體的一種基本方式，包容的數(shù)據(jù)和意外的發(fā)現(xiàn)，可以滿足科學家的多樣需求。巡天模式還利于實現(xiàn)望遠鏡的觀測效率最大化，可謂是能夠造福整個天文界的高效運行模式。

理論天體物理學家、原普林斯頓大學天文與物理系主任、副校長J. Ostriker教授，一語道破了巡天的重要性：“巡天之于天文，雖非重中之重，卻也不可或缺?！?/p>

Surveys aren’t the most important thing in astronomy—they’re the only thing. —— J. Ostriker

各個波段的巡天都已經(jīng)歷了一輪又一輪的“內(nèi)卷”，卷完分辨率、卷靈敏度，卷完靈敏度，又卷天區(qū)范圍，圍繞那些巡天優(yōu)劣的重要參數(shù)輪番地卷。毫米波和亞毫米波（高頻射電）天文學作為一個最年輕的波段，在其短短50年的發(fā)展歷史中，其實也進行了多輪比拼。

萌芽時期：星際CO的發(fā)現(xiàn)

CO是最強輻射的分子氣體，作為星際分子中最普遍的一種分子，直到1970年才被威爾遜、杰菲茨和彭齊亞斯在獵戶座中發(fā)現(xiàn)[1]，巧合的是第一和第三作者正是那兩位因意外發(fā)現(xiàn)微波背景輻射而獲得諾貝爾獎的工程師。CO的同位素分子13CO和C1?O，也在1971年被他們發(fā)現(xiàn)[2]。

這三譜線組合可謂是揭示分子氣體的溫度和密度等物理性質，和化學性質的“黃金搭檔”。從CO→13CO→C1?O，分子豐度逐漸降低，發(fā)射范圍逐步變小，譜線強度逐漸變?nèi)?。CO可以觀測到集中了分子云大部分質量的外層云，同位素分子C1?O可以觀測到分子云內(nèi)部更致密的區(qū)域，而同位素分子13CO介于二者之間。同時它們之間的豐度比，又可以反映出不同環(huán)境下伴隨著恒星形成與演化的物質循環(huán)反饋[3]。這樣的組合是其它譜線所望塵莫及的。

CO分子發(fā)現(xiàn)后，很多早期從事HI-21cm原子氣體巡天的低頻射電天文學家成了CO巡天的開拓者。世界上工作在3毫米波段（約110GHz）的望遠鏡也紛紛開展了大量的CO巡天觀測，甚至很多望遠鏡或接收機系統(tǒng)從無到有，建成落地，就為了實現(xiàn)這一巡天目標。

CO巡天遍地開花的時代

1991和2015年兩篇綜述文章都全面總結了CO分子發(fā)現(xiàn)以來的銀河系巡天項目[4,5]?？吹綀D中的項目編號千萬不要被嚇暈，居然高達59個！敲黑板！劃重點了！

截至2015年國際上已完成的CO巡天項目匯總[5]。長方形的長和寬分別示意銀經(jīng)和銀緯覆蓋范圍，灰度示意靈敏度，紅色：13CO巡天，黑色： 12CO巡天。

“開山鼻祖”（1970-1980）

美國國立射電天文臺所屬的口徑為36英尺（約11米）的毫米波望遠鏡(簡稱NRAO-11m)，是發(fā)現(xiàn)CO分子也是第一個開展CO巡天的望遠鏡，1970-1980年期間它在CO巡天領域幾乎是一枝獨秀。用其開展的巡天多達十個（編號1-6、8-10、16），雖然巡天規(guī)模在當今看來充其量算個“迷你簡化版”巡天，數(shù)據(jù)質量也略顯粗糙，但卻極具開拓性。人們對于銀河系內(nèi)盤分子氣體分布、旋轉曲線和CO同位素豐度比的最初認識都是基于這些巡天。

“兩架馬車”并跑的時代（1980-2010）

隨著1975年前后，哈佛史密松天體物理中心所屬的分別位于南北半球的1.2米雙胞胎毫米波望遠（簡稱CfA-1.2m）鏡以及美國五大學天文臺所屬的14米毫米波望遠鏡（簡稱FCRAO-14m）的建成投入使用，在這兩架馬車的拉動下，CO巡天駛入了“高速公路”。

利用CfA-1.2m望遠鏡開展了十余個巡天項目，如果將這些所有巡天拼接起來巡天幾乎覆蓋了銀道面銀經(jīng)l = -180°~+180°, 銀緯±35°（編號48），天空覆蓋率大（20%）成了其最大的優(yōu)點。因此為我們研究銀河系大尺度結構，提供了重要的觀測資料。然而由于其空間分辨率低，對于云樣本的檢測仍存在很大的偏差，那些質量或角尺度小的云都不能被很好的檢測到。

利用FCRAO-14m望遠鏡開展的巡天項目有7個，其中最具有影響力的是Mass-SB（編號20），OGS（編號41）和GRS（編號53）。由于口徑較1.2米提高了10倍，這些巡天獲得了更好的空間分辨率和靈敏度，然而空間覆蓋卻變得很小。

值得一提的是，OGS和GRS巡天采用了升級的多像元焦平面陣列接收機系統(tǒng)，觀測效率提高了，巡天的靈敏度和采樣完備性比Mass-SB巡天顯著提升。利用這些巡天數(shù)據(jù)擁有更高的空間分辨率和靈敏度的優(yōu)點，在對銀河系分子云內(nèi)部的密度和速度結構研究方面取得了重要進展。但其空間覆蓋范圍小也限制了它在銀河系氣體盤結構研究方面的貢獻。

別忘記還有它們

除了這兩架馬車，在這一時期還有一些重要的望遠鏡也是當時CO巡天的主力軍，包括美國貝爾實驗室的7m口徑的（簡稱Bell-7m），日本名古屋大學南天4m口徑的毫米波射電望遠鏡（簡稱NANTEN-4m），它們分別在揭示銀河系中心區(qū)域的大尺度結構，銀河系超級泡的分布方面都取得了成果。

中國的CO巡天，“好飯不怕晚”

看到這里讀者可能已經(jīng)滿腹疑問了，已經(jīng)深挖了40年CO巡天的歷史，進入二十一世紀了怎么也還沒看到咱國家的身影，難道咱沒有可以觀測CO的望遠鏡嗎？又或是別個望遠鏡已經(jīng)巡完了，我們的已毫無用武之地了嗎？

技術的門檻高，是難以獲得參賽資格的一個主要原因。我國位于青藏高原柴達木盆地海拔三千多米戈壁深處的13.7米毫米波望遠鏡于1990年初步建成，但望遠鏡后端的3mm波段半導體接收機直到1996年才通過了工程驗收。從那時起，它才開始工作在毫米波段。它是我國唯一能夠觀測CO的望遠鏡，在國際上同頻段的望遠鏡中屬于中等口徑。但是在2010年之前它仍處于單波束接收機的時代，視場太小是其無法開展巡天的一大制約。在單波束接收時代無偏大天區(qū)巡天幾乎是小口徑望遠鏡的獨門絕技。

另一個現(xiàn)實是以往的巡天遠不夠完美，還存在明顯的“偏科”問題，要么分辨率和靈敏度不夠高，要么天區(qū)覆蓋范圍不夠廣，而且CO、13CO和C1?O三譜線組合的巡天還是空白。而這三譜線組合恰恰又是示蹤分子氣體性質的黃金搭檔。臨淵羨魚不如退而結網(wǎng)，沒搭上前幾輪CO巡天列車的，紛紛摩拳擦掌蓄勢待發(fā)。

趁著中國經(jīng)濟和科技高速發(fā)展的東風，中國在這個領域也開始嶄露頭角。

卷出新高度：同時接收多分子譜線的巡天

璀璨星空銀河下的青海觀測站13.7米毫米波望遠鏡 ? 照片來源：騎驢到西藏

“工欲善其事，必先利其器”。2010年底我國成功自主研發(fā)了9波束邊帶分離型超導成像頻譜儀并成功運用到13.7米毫米波望遠鏡[6]，這一提升把以往一只眼拓展到9只眼睛同時觀測星空，視場提高9倍；邊帶分離技術加上巧妙的中頻設置，使得CO，13CO和C1?O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，總體上這些升級使得觀測效率比以往提高了近60倍。正是這些不斷提升的技術賦予了13.7米遠鏡大天區(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探查星際空間分子氣體的大尺度分布和性質的能力。

“銀河畫卷”巡天（MWISP）項目I期于2011年9月正式啟動，對北銀道面可觀測天區(qū)銀緯±5°范圍約2400平方度的天區(qū)進行CO、13CO和C1?O無偏盲巡。歷經(jīng)10年約40人特別是13.7米望遠鏡運行人員夜以繼日地努力，一副炫美的銀河彩圖終于繪制完成！

至此，毫米波彩色圖像時代的全面到來讓CO巡天又邁上了一個新的臺階，美貌與智慧并存，不明顯偏科的巡天數(shù)據(jù)庫已然建立。

時光倒流回“黑白電視”時代

“銀河畫卷”獲得的銀河彩圖局部圖－對典型巨分子云復合體W3獲得的彩圖（約2.5deg2）。 ? 圖片來源：作者；數(shù)據(jù)分別來自銀河畫卷，以及OGS和CfA1.2米巡天公開釋放的檔案數(shù)據(jù)

所謂英雄所見略同，國際上澳大利亞的Mopra-22m口徑和日本國立射電天文臺野邊山觀測站的 NRO-45m毫米波望遠鏡緊隨其后，于2013年前后也都相繼加入了CO三譜線巡天陣營。

CO巡天哪家強？

找準定位很重要，對人生如此，對巡天亦是如此！只有認清楚了這些，才能更好的揚長同時又避短或補短，更好地挖掘數(shù)據(jù)的科學價值。為了弄清楚這些問題，我們把銀河畫卷與國際上最具有影響力的10個巡天放在一起比較。

靈敏度是歸算到12CO頻率和相同的頻譜分辨本領下單位面積的靈敏度，圓越大表示靈敏度越高。

空間分辨率與空間覆蓋率；右圖：速度分辨率與速度覆蓋范圍；單位面積的靈敏度用圓的大小示意，越大表示靈敏度越高。十字標注的是空間上不完全采樣的巡天。（圖片來源：作者）

各個巡天的特色已躍然紙上，毫無疑問CfA-1.2m巡天最大的優(yōu)勢是天區(qū)覆蓋大；NRO-45m望遠鏡的FUGIN巡天最大的優(yōu)勢是空間分辨率高；

而“銀河畫卷”巡天各方面表現(xiàn)比較均衡，擁有可圈可點的優(yōu)勢和特色：

高靈敏度

多譜線探針

大天區(qū)完整取樣

高頻譜分辨率和寬速度覆蓋范圍

終點亦是新起點

在新一輪的比拼中，MWISP數(shù)據(jù)質量更勝一籌，各方面表現(xiàn)都不錯。利用該巡天前期積累階段的數(shù)據(jù)已經(jīng)取得了系列的科學發(fā)現(xiàn)。從銀河系一段迄今距離銀心最遠旋臂結構的發(fā)現(xiàn)到銀河系分子厚盤性質的揭示，從完備分子云樣本的建立到分子云物理化學性質統(tǒng)計規(guī)律的發(fā)現(xiàn)，從大規(guī)模分子內(nèi)/外向流候選體的證認到分子云與HII區(qū)，SNR相互作用證據(jù)的搜尋，這些新的結果正在改變我們對銀河系大尺度結構和星際分子云的認知?？梢云诖?，從MWISP數(shù)據(jù)后續(xù)更系統(tǒng)地分析中將獲得更多的發(fā)現(xiàn)。

那么巡天之路，是否卷到了盡頭，是時候躺平了？當然不是，巡天在眾多方面仍然有提高的空間。

雖然隨著MWISP靈敏度的提高，其檢測到的總流量已有顯著提升（達到CfA1.2m望遠鏡CO巡天和FCRAO-14m望遠鏡OGS巡天的1.6倍），但是通過外推插值粗略地自估，MWISP在當前的靈敏度下流量探測完備率平均來看也僅58%，仍然有漏網(wǎng)之魚。而且流量丟失的程度隨著距離的增大迅速增大。例如，在銀盤邊緣的外盾牌－半人馬臂（OSC）上，MWISP與OGS和CfA巡天所探測到的流量的比值分別達到7.4和43.8， MWISP在該旋臂段的流量完備性也只有32%[7]。由此不難理解，當前的巡天對銀河系的探測能力還相當局限。

Planck衛(wèi)星得到的CO連續(xù)譜輻射[8]，實線和虛線示意了“銀河畫卷”I期和II期巡天的范圍。

此外，“銀河畫卷”I期天區(qū)覆蓋銀緯±5°，仍非常有限。為了窺探更廣袤的銀河系，覆蓋更廣天區(qū)，銀緯±10°的“銀河畫卷”II期巡天應運而生，并于2021年9月1日啟動。

新的夢想已經(jīng)起航，可以預期下一個十年CO分子譜線巡天將更上一層樓。但即便如此，這些巡天范圍也僅是天空中很小一部分，更多需要仔細巡視的區(qū)域，如我們耳熟能詳?shù)墨C戶座、金牛座、蛇夫座……就目前的技術現(xiàn)狀，仍無法有效覆蓋，還遠在巡視范圍之外。

科學追求無止境，技術需求亦無止境，巡天總在路上，更大天區(qū)覆蓋范圍、更高靈敏度、更高分辨率、更高效……是巡天亙古不變的追求。

參考文獻：

[1] Wilson, R. W., Jefferts, K. B., Penzias, A. A., 1970, ApJL, 161, 43

[2] Penzias, A. A., Jefferts, K. B., Wilson, R. W., 1971, ApJ, 165, 229

[3]天體物理中的微波譜線診斷，曾琴, 毛瑞青, 裴春傳編著, 中國科學技術出版社

[4] Combes, F. 1991, ARA&A, 29, 195

[5] Heyer, M., & Dame, T. M., 2015, ARA&A, 53, 583

[6]Shan, W. L., Yang, J., Shi, S. C., et al. 2012, ITTST, 2, 593

[7] Sun, Y., Yang, J., Yan, Q.-Z. et al. 2021, ApJS, 256, 32

[8] Planck Collaboration, 2014, A&A, 571, A13

作者簡介

孫 燕

中國科學院紫金山天文臺副研究員， 中國科學院青年創(chuàng)新促進會會員， “銀河畫卷”巡天骨干成員。

楊 戟

中國科學院紫金山天文臺研究員 ，“銀河畫卷”巡天總負責人。

輪值主編：季江徽

編輯：王科超