科技日报记者 金凤
在青海省海西州德令哈市以东35公里海拔3200米的戈壁滩上，一只巨大的白色“圆球”耸立在苍凉的群山之间。13.7米毫米波射电望远镜就在这里，持续地接收来自浩瀚星空的神秘密码。
这是中国唯一一台工作在毫米波段的大型射电天文观测设备，主要针对星际分子云和恒星形成区、星际脉泽、晚期恒星包层物质、银河系结构与运动、气体与超新星相互作用、近邻星系、太阳系天体等天文和天体物理前沿领域开展观测研究。
自2011年11月，中国科学院紫金山天文台利用这台望远镜，开展了为期十年的“银河画卷”巡天计划。每年，用于巡天观测的时间占5个多月的望远镜时间。
这10年间，巡天望远镜对北天银道面附近的一氧化碳及其同位素¹³CO和C¹⁸O三条分子谱线同时进行大天区观测。
今年4月底，“银河画卷”一期计划结束，共完成银纬正负5度范围共2400平方度的探测覆盖，建立了毫米波分子谱线数据库。
2021年9月1日，“银河画卷”为期10年的二期巡天计划启动，将巡天区域扩展至银道面附近银纬正负10度的范围，将为多波段天文研究提供更广域的分子气体分布数据。
科学追求无止境，技术迭代不可限量，巡天总在路上。更大天区覆盖范围、更高灵敏度、更高分辨率的巡天，将为我们揭示更多来自遥远太空的奥秘。
“银河画卷”一期项目北银盘315平方度局部天区毫米波段CO/¹³CO/C¹⁸O分子辐射合成图像，图片来源：“银河画卷”一期项目团队
“普查”天体，捕捉一氧化碳分子谱线
“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，就像是对天空进行“普查”。人类借助这种类似于拉网式的观测方式，来发现未知天体。
理论天体物理学家、原普林斯顿大学天文与物理系主任、副校长J.Ostriker教授，曾一语道破巡天的重要性：“巡天之于天文，岂止是重中之重，恰恰就是唯一的办法。”
“在未知的太空，人类不清楚存在什么。而巡天是探寻宇宙信息的基本手段，甚至是唯一的手段。先确定‘新大陆’在何处，望远镜后期针对性的进一步观测才更有效率。巡天是一项特别耗时、特别需要耐心的工作。”中国科学院紫金山天文台研究员、“银河画卷”巡天总负责人杨戟告诉科技日报记者，“银河画卷”一期计划，就是把待巡查的太空空间先划分为一万个大小为0.5度*0.5度的方格，再逐个地扫描这些小方格，扫完后拼接成一幅长218度、宽10度的大图像。
基于巡天数据，研究团队在分子云的大尺度分布、样本检测和距离测量、分子云结构和性质、分子外流与恒星形成的关联、银河系大尺度结构以及分子云与超新星遗迹的相互作用等方面，取得系列研究成果。
无论是一期还是二期项目，“一氧化碳分子谱线”都是“银河画卷”计划的观测核心。
一氧化碳分子在1970年被美国科学家威尔逊、杰菲茨和彭齐亚斯在猎户座中发现。一氧化碳的同位素分子¹³CO和C¹⁸O，也在1971年被他们发现。这组谱线是揭示分子气体的温度、密度等性质的“黄金搭档”。
“目前在星际空间分析的星际分子有一氧化碳、水、氨、甲醇、乙醇等物质，而一氧化碳是辐射最强的分子气体，也是星际分子中分布最广、最普遍的一种分子。而星际分子云是银河系和宇宙基本的物质形态。”杨戟介绍，从CO到¹³CO再到C¹⁸O，分子丰度逐渐降低，谱线强度也逐渐变弱。通过捕捉星际分子中的一氧化碳，可以观测集中了分子云大部分质量的外层云，而捕捉同位素分子C¹⁸O，可以观测分子云内部更致密的区域，而同位素分子¹³CO介于二者之间。
“它们之间的丰度比，又可以反映出不同环境下伴随着分子云、恒星的形成与演化的物质循环反馈。这样的组合是其他谱线所望尘莫及的。”杨戟说。
“银河画卷”一期计划获得的银河彩图局部图－对典型巨分子云复合体W3获得的彩图， 图片来源：“银河画卷”一期计划团队
毫米波段巡天，全球近50年已开展60多项巡天
“‘银河画卷’巡天计划是我国在毫米波段的唯一巡天项目。”杨戟解释，在毫米波段，对宇宙的大部分发现和理解都来自巡天项目。
目前，我国已经出现若干有影响的天文巡天项目，除了“银河画卷”计划，还有郭守敬望远镜（LAMOST）开展的光谱巡天观测、“中国天眼”500米口径球面射电望远镜(FAST)的脉冲星巡天观测等。
“不同的科学目标，决定了观测的波段不同、获取的信息不同、巡天方式不同。”杨戟举例，不同波段的巡天，观测各有侧重，例如光学波段的巡天观测，巡的是主要是恒星和星系的世界；而“银河画卷”的毫米波波段的巡天，巡的是星际分子云。
“由于探测信号、望远镜工作原理、信号记录方式的不同，巡天的方式也会有不同。例如‘银河画卷’要对光谱的颜色（频谱）进行细致分辨，从而判断分子云的内部构成；而FAST要在观测时间上细致侦听，来寻找脉冲星出现的位置。”杨戟说。
过去50年，在毫米波段，世界各国从大量存在分子态的星际物质、星际有机物、恒星和原始行星系统的诞生、银河系结构，到星系形成与演化等的巡天项目，已经开展了60多项，今后还会不断出现。
在毫米波段巡天观测一氧化碳分子，源自20世纪七十年代。美国国立射电天文台的口径约11米的毫米波望远镜(NRAO-11m)，是发现一氧化碳分子、也是第一个开展巡天观测一氧化碳分子的望远镜。1970-1980年间，它在巡天观测一氧化碳领域几乎是一枝独秀，用其开展的巡天项目多达十个。
“虽然当时巡天规模在当今看来充其量算个‘迷你简化版’巡天，数据质量也略显粗糙，但却极具开拓性。人们对于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最初认识都是基于这些巡天计划。”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。
1975年左右，哈佛史密松天体物理中心位于南北半球的1.2米双胞胎毫米波望远镜（CfA-1.2m）以及美国五大学天文台的14米毫米波望远镜（FCRAO-14m）的建成投入使用，将CO巡天驶入了“高速公路”。
“CfA-1.2m望远镜开展了十余个巡天项目，如果将所有巡天数据拼接起来，几乎覆盖了银道面，天空覆盖率大成了其最大的优点。因此为我们研究银河系大尺度结构，提供了重要的观测资料。”孙燕说。
利用FCRAO-14m望远镜开展的巡天项目则有7个，其中最具有影响力的是Mass-SB，OGS和GRS。
“值得一提的是，OGS和GRS巡天采用了升级的多像元焦平面阵列接收机系统，观测效率提高了，巡天的灵敏度和采样完备性比Mass-SB巡天显著提升。利用这些巡天数据，在对银河系分子云内部的密度和速度结构研究方面取得了重要进展。但其空间覆盖范围小也限制了它在银河系气体盘结构研究方面的贡献。”孙燕说。
未来的分子谱线巡天，范围将扩大、噪声将降低
中国的巡天观测在国际上算不上早。技术门槛高，是难以早期参与巡天观测的一个主要原因。
孙燕介绍，我国位于青藏高原柴达木盆地海拔三千多米戈壁深处的13.7米毫米波望远镜于1990年初步建成，但望远镜后端的3毫米波段半导体接收机直到1996年才通过了工程验收。从那时起，它才开始工作在毫米波段。
“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年之前它仍处于单波束接收机的时代，视场太小是其无法开展巡天的一大制约。在单波束接收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，望远镜分辨率和灵敏度不够高，天区覆盖范围不够广，CO、¹³CO和C¹⁸O三谱线组合的巡天还是空白。而这三谱线组合恰恰又是示踪分子气体性质的黄金搭档。
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这三条谱线在频率上相差高达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。
“这些升级使得观测效率比以往提高了近60倍。正是这些不断提升的技术赋予了13.7米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。”
