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天文巡天:给漫天繁星进行“人口普查”

来源:科技日报2019-06-13 09:40

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  位于美国西南部的斯隆数字巡天(SDSS)望远镜与星空遥相呼应

  不久前,中国科学院国家天文台公布了我国自主研发的光谱巡天望远镜——郭守敬望远镜(LAMOST)过去7年巡天的结果。在过去7年中,郭守敬望远镜共获得了1125万条恒星光谱,其中937万条光谱为高质量光谱,为国际上其他巡天项目的2倍左右。

  巡天是天文类新闻中的常见词语。那么,什么是巡天?它又能分为哪些种类?

  将星空尽收眼底

  我们的地球位于太阳系,太阳系是银河系中一个非常普通的恒星系统,银河系中有几千亿颗和太阳类似的恒星。而广袤的宇宙中又有无数类似于银河系的星系。众多星系中,有的稳定发光,有的爆发性地发光;各星系内部,又不断有恒星诞生、演化、死亡、爆炸。恒星的爆发又会发出大量光芒。为了对尽可能多的星系以及星系中可能的爆发现象进行系统观测,天文学家采用了无差别扫描的方式来观测它们,这就是天文巡天观测,简称巡天。

  根据巡天观测的天区范围,可以将巡天分为有目标巡天与无目标巡天。有目标巡天针对那些明亮的星系,逐点跳跃,定期观测列入表的星系,观测那些星系或者那些星系内的爆发现象。无目标巡天又被称为盲巡天,它的主要特征是对天空的所有可以扫到的区域进行逐块扫描,不仅观测了那些明亮星系,还观测了大量此前未被注意到的暗弱矮星系。过去十几年来,针对超新星等可见光辐射为主的一些变源,人们主要采用无目标巡天,因此发现的超新星数目比以前大大增加。

  根据巡天望远镜接收的电磁波的波段,可以将巡天分为射电巡天、可见光巡天、红外巡天、X射线巡天与伽马射线巡天。比如1997到2002年之间进行的HIPASS项目,就是针对宇宙中的中性氢分子云进行的射电巡天,它采取的是盲巡天模式;暗能量巡天、兹威基巡天设备、泛星计划、ATLAS、LOSS、ASASSN、SDSS等巡天都是可见光巡天,且有的具有一定的近红外和近紫外观测能力。WISE是红外巡天中比较著名的一个探测器;费米伽马射线卫星是著名的伽马射线巡天卫星。

  有些巡天项目同时用到多个波段,如COSMOS巡天以哈勃太空望远镜上的高级巡天相机为核心,联合甚大射电望远镜阵列、XMM-牛顿X射线卫星、昴星团望远镜,覆盖了可见光、近紫外、近红外、射电与X射线多个波段,扫描一小块天区内的众多星系,用以研究宇宙的大尺度结构、暗物质与星系形成之谜等重要课题。

  根据探测到的光的类型,巡天可以分为光度巡天和光谱巡天。前者只需要测出几种颜色的光,后者需要将进入望远镜的光先用光谱仪分解为超级细致的“彩虹”光——光谱,然后再进入相机系统。与变源相关的巡天采用的大多是光度巡天;而一些与星系、恒星有关的巡天会采用光谱巡天,如SDSS与开头提到的郭守敬望远镜,就是光谱巡天望远镜:SDSS致力于获得大量星系的光谱,郭守敬望远镜当前致力于获得大量恒星的光谱。

  与通用望远镜合作观测

  巡天望远镜还常常与通用望远镜紧密合作。所谓通用望远镜,指的是那些根据精确位置进行对应观测的望远镜。一些巡天望远镜发现有价值的目标之后,将这些目标源的精确位置定出,使用通用望远镜的天文学家就可以根据那些目标源的精确位置进行后续观测,得到它们的光度演化与某些时期的光谱信息,从中提取重要信息。

  比如,SDSS发现大量星系的光谱之后,相关的天文学家挑出那些比较反常的光谱,让哈勃太空望远镜观测其亮度特征,从中发现了多个由引力透镜引起的壮观的“爱因斯坦环”。再如,2017年双中子星并合导致的引力波事件发生后,地面上1米口径的Swope望远镜迅速扫描其可能存在的那些位置,发现了伴随这次引力波的可见光对应体——千新星,此后众多通用望远镜对这颗千新星进行后续观测,得到了700多个光度数据点和多条光谱,为人们细致研究中子星并合后的抛出物质的化学成分提供了强有力的工具。

  巡天观测有至少80年的历史。过去十几年来,更多更强有力的巡天设备投入运行,让天文学家发现了海量的珍贵数据。未来还有多个正在计划中的巡天计划会启动,如将于2022年开始正式运行的8米口径的巡天望远镜——LSST——每年会发现几十万个可见光爆发现象;将要升空的宽场红外巡天卫星和欧几里德红外卫星会对宇宙学的进一步发展作出重大贡献。

  最后需要说明的是,有些巡天同时可以执行多种任务,比如,泛星计划和ATLAS,它们既扫描天空、监测到众多可能威胁地球的小行星,又发现了大量银河系外的爆发现象。

  (作者王善钦 广西大学物理科学与工程技术学院)

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