（本文首發(fā)于“科學(xué)大院”）

在過(guò)去的10年中，中國(guó)的“銀河畫(huà)卷”用一臺(tái)望遠(yuǎn)鏡+40個(gè)人完成了第一期CO及其同位素的巡天。最近，“銀河畫(huà)卷”開(kāi)始了第二期巡天，預(yù)計(jì)也將持續(xù)10年。

北銀盤(pán)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(xué)圖像（下圖）。圖像分別源自“銀河畫(huà)卷”毫米波巡天和Pan-STARRS光學(xué)巡天 。? 圖片來(lái)源：上圖來(lái)自作者，下圖來(lái)自Aladin sky Atlas

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

巡天，其實(shí)就是“普查”工作

天文學(xué)是以觀測(cè)發(fā)現(xiàn)為特點(diǎn)的學(xué)科，無(wú)目標(biāo)盲巡天是一種對(duì)天空可掃描區(qū)域進(jìn)行逐塊無(wú)差別掃描的系統(tǒng)觀測(cè)方式，就像是對(duì)天體進(jìn)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(xué)家的多樣需求。巡天模式還利于實(shí)現(xiàn)望遠(yuǎn)鏡的觀測(cè)效率最大化，可謂是能夠造福整個(gè)天文界的高效運(yùn)行模式。

理論天體物理學(xué)家、原普林斯頓大學(xué)天文與物理系主任、副校長(zhǎng)J. Ostriker教授，一語(yǔ)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(gè)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(xué)作為一個(gè)最年輕的波段，在其短短50年的發(fā)展歷史中，其實(shí)也進(jìn)行了多輪比拼。

萌芽時(shí)期：星際CO的發(fā)現(xiàn)

CO是最強(qiáng)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(jiǎng)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(zhì)，和化學(xué)性質(zhì)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(qiáng)度逐漸變?nèi)?。CO可以觀測(cè)到集中了分子云大部分質(zhì)量的外層云，同位素分子C1?O可以觀測(cè)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(shí)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(zhì)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(xué)家成了CO巡天的開(kāi)拓者。世界上工作在3毫米波段（約110GHz）的望遠(yuǎn)鏡也紛紛開(kāi)展了大量的CO巡天觀測(cè)，甚至很多望遠(yuǎn)鏡或接收機(jī)系統(tǒng)從無(wú)到有，建成落地，就為了實(shí)現(xiàn)這一巡天目標(biāo)。

CO巡天遍地開(kāi)花的時(shí)代

1991和2015年兩篇綜述文章都全面總結(jié)了CO分子發(fā)現(xiàn)以來(lái)的銀河系巡天項(xiàng)目[4,5]?？吹綀D中的項(xiàng)目編號(hào)千萬(wàn)不要被嚇暈，居然高達(dá)59個(gè)！敲黑板！劃重點(diǎn)了！

截至2015年國(guó)際上已完成的CO巡天項(xiàng)目匯總[5]。長(zhǎng)方形的長(zhǎng)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(kāi)山鼻祖”（1970-1980）

美國(guó)國(guó)立射電天文臺(tái)所屬的口徑為36英尺（約11米）的毫米波望遠(yuǎn)鏡(簡(jiǎn)稱(chēng)NRAO-11m)，是發(fā)現(xiàn)CO分子也是第一個(gè)開(kāi)展CO巡天的望遠(yuǎn)鏡，1970-1980年期間它在CO巡天領(lǐng)域幾乎是一枝獨(dú)秀。用其開(kāi)展的巡天多達(dá)十個(gè)（編號(hào)1-6、8-10、16），雖然巡天規(guī)模在當(dāng)今看來(lái)充其量算個(gè)“迷你簡(jiǎn)化版”巡天，數(shù)據(jù)質(zhì)量也略顯粗糙，但卻極具開(kāi)拓性。人們對(duì)于銀河系內(nèi)盤(pán)分子氣體分布、旋轉(zhuǎn)曲線和CO同位素豐度比的最初認(rèn)識(shí)都是基于這些巡天。

“兩架馬車(chē)”并跑的時(shí)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(yuǎn)（簡(jiǎn)稱(chēng)CfA-1.2m）鏡以及美國(guó)五大學(xué)天文臺(tái)所屬的14米毫米波望遠(yuǎn)鏡（簡(jiǎn)稱(chēng)FCRAO-14m）的建成投入使用，在這兩架馬車(chē)的拉動(dòng)下，CO巡天駛?cè)肓恕案咚俟贰薄?/p>

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

利用FCRAO-14m望遠(yuǎn)鏡開(kāi)展的巡天項(xiàng)目有7個(gè)，其中最具有影響力的是Mass-SB（編號(hào)20），OGS（編號(hào)41）和GRS（編號(hào)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(jí)的多像元焦平面陣列接收機(jī)系統(tǒng)，觀測(cè)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(diǎn)，在對(duì)銀河系分子云內(nèi)部的密度和速度結(jié)構(gòu)研究方面取得了重要進(jìn)展。但其空間覆蓋范圍小也限制了它在銀河系氣體盤(pán)結(jié)構(gòu)研究方面的貢獻(xiàn)。

別忘記還有它們

除了這兩架馬車(chē)，在這一時(shí)期還有一些重要的望遠(yuǎn)鏡也是當(dāng)時(shí)CO巡天的主力軍，包括美國(guó)貝爾實(shí)驗(yàn)室的7m口徑的（簡(jiǎn)稱(chēng)Bell-7m），日本名古屋大學(xué)南天4m口徑的毫米波射電望遠(yuǎn)鏡（簡(jiǎn)稱(chēng)NANTEN-4m），它們分別在揭示銀河系中心區(qū)域的大尺度結(jié)構(gòu)，銀河系超級(jí)泡的分布方面都取得了成果。

中國(guó)的CO巡天，“好飯不怕晚”

看到這里讀者可能已經(jīng)滿腹疑問(wèn)了，已經(jīng)深挖了40年CO巡天的歷史，進(jìn)入二十一世紀(jì)了怎么也還沒(méi)看到咱國(guó)家的身影，難道咱沒(méi)有可以觀測(cè)CO的望遠(yuǎn)鏡嗎？又或是別個(gè)望遠(yuǎn)鏡已經(jīng)巡完了，我們的已毫無(wú)用武之地了嗎？

技術(shù)的門(mén)檻高，是難以獲得參賽資格的一個(gè)主要原因。我國(guó)位于青藏高原柴達(dá)木盆地海拔三千多米戈壁深處的13.7米毫米波望遠(yuǎn)鏡于1990年初步建成，但望遠(yuǎn)鏡后端的3mm波段半導(dǎo)體接收機(jī)直到1996年才通過(guò)了工程驗(yàn)收。從那時(shí)起，它才開(kāi)始工作在毫米波段。它是我國(guó)唯一能夠觀測(cè)CO的望遠(yuǎn)鏡，在國(guó)際上同頻段的望遠(yuǎn)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(jī)的時(shí)代，視場(chǎng)太小是其無(wú)法開(kāi)展巡天的一大制約。在單波束接收時(shí)代無(wú)偏大天區(qū)巡天幾乎是小口徑望遠(yuǎn)鏡的獨(dú)門(mén)絕技。

另一個(gè)現(xiàn)實(shí)是以往的巡天遠(yuǎn)不夠完美，還存在明顯的“偏科”問(wèn)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(zhì)的黃金搭檔。臨淵羨魚(yú)不如退而結(jié)網(wǎng)，沒(méi)搭上前幾輪CO巡天列車(chē)的，紛紛摩拳擦掌蓄勢(shì)待發(fā)。

趁著中國(guó)經(jīng)濟(jì)和科技高速發(fā)展的東風(fēng)，中國(guó)在這個(gè)領(lǐng)域也開(kāi)始嶄露頭角。

卷出新高度：同時(shí)接收多分子譜線的巡天

璀璨星空銀河下的青海觀測(cè)站13.7米毫米波望遠(yuǎn)鏡 ? 照片來(lái)源：騎驢到西藏

“工欲善其事，必先利其器”。2010年底我國(guó)成功自主研發(fā)了9波束邊帶分離型超導(dǎo)成像頻譜儀并成功運(yùn)用到13.7米毫米波望遠(yuǎn)鏡[6]，這一提升把以往一只眼拓展到9只眼睛同時(shí)觀測(cè)星空，視場(chǎng)提高9倍；邊帶分離技術(shù)加上巧妙的中頻設(shè)置，使得CO，13CO和C1?O這三條在頻率上相差高達(dá)6GHz的譜線能夠被1GHz帶寬的頻譜儀同時(shí)接收到。另外快速掃描觀測(cè)模式的應(yīng)用也使望遠(yuǎn)鏡的觀測(cè)效率大大提高，總體上這些升級(jí)使得觀測(cè)效率比以往提高了近60倍。正是這些不斷提升的技術(shù)賦予了13.7米遠(yuǎn)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(lái)探查星際空間分子氣體的大尺度分布和性質(zhì)的能力。

“銀河畫(huà)卷”巡天（MWISP）項(xiàng)目I期于2011年9月正式啟動(dòng)，對(duì)北銀道面可觀測(cè)天區(qū)銀緯±5°范圍約2400平方度的天區(qū)進(jìn)行CO、13CO和C1?O無(wú)偏盲巡。歷經(jīng)10年約40人特別是13.7米望遠(yuǎn)鏡運(yùn)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(shí)代的全面到來(lái)讓CO巡天又邁上了一個(gè)新的臺(tái)階，美貌與智慧并存，不明顯偏科的巡天數(shù)據(jù)庫(kù)已然建立。

時(shí)光倒流回“黑白電視”時(shí)代

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

所謂英雄所見(jiàn)略同，國(guó)際上澳大利亞的Mopra-22m口徑和日本國(guó)立射電天文臺(tái)野邊山觀測(cè)站的 NRO-45m毫米波望遠(yuǎn)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(yíng)。

CO巡天哪家強(qiáng)？

找準(zhǔn)定位很重要，對(duì)人生如此，對(duì)巡天亦是如此！只有認(rèn)清楚了這些，才能更好的揚(yáng)長(zhǎng)同時(shí)又避短或補(bǔ)短，更好地挖掘數(shù)據(jù)的科學(xué)價(jià)值。為了弄清楚這些問(wèn)題，我們把銀河畫(huà)卷與國(guó)際上最具有影響力的10個(gè)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(lǐng)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(biāo)注的是空間上不完全采樣的巡天。（圖片來(lái)源：作者）

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

而“銀河畫(huà)卷”巡天各方面表現(xiàn)比較均衡，擁有可圈可點(diǎn)的優(yōu)勢(shì)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(diǎn)亦是新起點(diǎn)

在新一輪的比拼中，MWISP數(shù)據(jù)質(zhì)量更勝一籌，各方面表現(xiàn)都不錯(cuò)。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(xué)發(fā)現(xiàn)。從銀河系一段迄今距離銀心最遠(yuǎn)旋臂結(jié)構(gòu)的發(fā)現(xiàn)到銀河系分子厚盤(pán)性質(zhì)的揭示，從完備分子云樣本的建立到分子云物理化學(xué)性質(zhì)統(tǒng)計(jì)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(rèn)到分子云與HII區(qū)，SNR相互作用證據(jù)的搜尋，這些新的結(jié)果正在改變我們對(duì)銀河系大尺度結(jié)構(gòu)和星際分子云的認(rèn)知。可以期待，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(shí)候躺平了？當(dāng)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(cè)到的總流量已有顯著提升（達(dá)到CfA1.2m望遠(yuǎn)鏡CO巡天和FCRAO-14m望遠(yuǎn)鏡OGS巡天的1.6倍），但是通過(guò)外推插值粗略地自估，MWISP在當(dāng)前的靈敏度下流量探測(cè)完備率平均來(lái)看也僅58%，仍然有漏網(wǎng)之魚(yú)。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(pán)邊緣的外盾牌－半人馬臂（OSC）上，MWISP與OGS和CfA巡天所探測(cè)到的流量的比值分別達(dá)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(dāng)前的巡天對(duì)銀河系的探測(cè)能力還相當(dāng)局限。

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

此外，“銀河畫(huà)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(huà)卷”II期巡天應(yīng)運(yùn)而生，并于2021年9月1日啟動(dòng)。

新的夢(mèng)想已經(jīng)起航，可以預(yù)期下一個(gè)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(xì)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(shù)現(xiàn)狀，仍無(wú)法有效覆蓋，還遠(yuǎn)在巡視范圍之外。

科學(xué)追求無(wú)止境，技術(shù)需求亦無(wú)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(xiàn)：

[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(guó)科學(xué)技術(shù)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(jiǎn)介

孫 燕

中國(guó)科學(xué)院紫金山天文臺(tái)副研究員， 中國(guó)科學(xué)院青年創(chuàng)新促進(jìn)會(huì)會(huì)員， “銀河畫(huà)卷”巡天骨干成員。

楊 戟

中國(guó)科學(xué)院紫金山天文臺(tái)研究員 ，“銀河畫(huà)卷”巡天總負(fù)責(zé)人。

輪值主編：季江徽

編輯：王科超