位于美國(guó)西南部的斯隆數(shù)字巡天(SDSS)望遠(yuǎn)鏡與星空遙相呼應(yīng)

不久前，中國(guó)科學(xué)院國(guó)家天文臺(tái)公布了我國(guó)自主研發(fā)的光譜巡天望遠(yuǎn)鏡——郭守敬望遠(yuǎn)鏡(LAMOST)過(guò)去7年巡天的結(jié)果。在過(guò)去7年中，郭守敬望遠(yuǎn)鏡共獲得了1125萬(wàn)條恒星光譜，其中937萬(wàn)條光譜為高質(zhì)量光譜，為國(guó)際上其他巡天項(xiàng)目的2倍左右。

巡天是天文類(lèi)新聞中的常見(jiàn)詞語(yǔ)。那么，什么是巡天?它又能分為哪些種類(lèi)?

將星空盡收眼底

我們的地球位于太陽(yáng)系，太陽(yáng)系是銀河系中一個(gè)非常普通的恒星系統(tǒng)，銀河系中有幾千億顆和太陽(yáng)類(lèi)似的恒星。而廣袤的宇宙中又有無(wú)數(shù)類(lèi)似于銀河系的星系。眾多星系中，有的穩(wěn)定發(fā)光，有的爆發(fā)性地發(fā)光;各星系內(nèi)部，又不斷有恒星誕生、演化、死亡、爆炸。恒星的爆發(fā)又會(huì)發(fā)出大量光芒。為了對(duì)盡可能多的星系以及星系中可能的爆發(fā)現(xiàn)象進(jìn)行系統(tǒng)觀測(cè)，天文學(xué)家采用了無(wú)差別掃描的方式來(lái)觀測(cè)它們，這就是天文巡天觀測(cè)，簡(jiǎn)稱(chēng)巡天。

根據(jù)巡天觀測(cè)的天區(qū)范圍，可以將巡天分為有目標(biāo)巡天與無(wú)目標(biāo)巡天。有目標(biāo)巡天針對(duì)那些明亮的星系，逐點(diǎn)跳躍，定期觀測(cè)列入表的星系，觀測(cè)那些星系或者那些星系內(nèi)的爆發(fā)現(xiàn)象。無(wú)目標(biāo)巡天又被稱(chēng)為盲巡天，它的主要特征是對(duì)天空的所有可以掃到的區(qū)域進(jìn)行逐塊掃描，不僅觀測(cè)了那些明亮星系，還觀測(cè)了大量此前未被注意到的暗弱矮星系。過(guò)去十幾年來(lái)，針對(duì)超新星等可見(jiàn)光輻射為主的一些變?cè)?，人們主要采用無(wú)目標(biāo)巡天，因此發(fā)現(xiàn)的超新星數(shù)目比以前大大增加。

根據(jù)巡天望遠(yuǎn)鏡接收的電磁波的波段，可以將巡天分為射電巡天、可見(jiàn)光巡天、紅外巡天、X射線巡天與伽馬射線巡天。比如1997到2002年之間進(jìn)行的HIPASS項(xiàng)目，就是針對(duì)宇宙中的中性氫分子云進(jìn)行的射電巡天，它采取的是盲巡天模式;暗能量巡天、茲威基巡天設(shè)備、泛星計(jì)劃、ATLAS、LOSS、ASASSN、SDSS等巡天都是可見(jiàn)光巡天，且有的具有一定的近紅外和近紫外觀測(cè)能力。WISE是紅外巡天中比較著名的一個(gè)探測(cè)器;費(fèi)米伽馬射線衛(wèi)星是著名的伽馬射線巡天衛(wèi)星。

有些巡天項(xiàng)目同時(shí)用到多個(gè)波段，如COSMOS巡天以哈勃太空望遠(yuǎn)鏡上的高級(jí)巡天相機(jī)為核心，聯(lián)合甚大射電望遠(yuǎn)鏡陣列、XMM-牛頓X射線衛(wèi)星、昴星團(tuán)望遠(yuǎn)鏡，覆蓋了可見(jiàn)光、近紫外、近紅外、射電與X射線多個(gè)波段，掃描一小塊天區(qū)內(nèi)的眾多星系，用以研究宇宙的大尺度結(jié)構(gòu)、暗物質(zhì)與星系形成之謎等重要課題。

根據(jù)探測(cè)到的光的類(lèi)型，巡天可以分為光度巡天和光譜巡天。前者只需要測(cè)出幾種顏色的光，后者需要將進(jìn)入望遠(yuǎn)鏡的光先用光譜儀分解為超級(jí)細(xì)致的“彩虹”光——光譜，然后再進(jìn)入相機(jī)系統(tǒng)。與變?cè)聪嚓P(guān)的巡天采用的大多是光度巡天;而一些與星系、恒星有關(guān)的巡天會(huì)采用光譜巡天，如SDSS與開(kāi)頭提到的郭守敬望遠(yuǎn)鏡，就是光譜巡天望遠(yuǎn)鏡：SDSS致力于獲得大量星系的光譜，郭守敬望遠(yuǎn)鏡當(dāng)前致力于獲得大量恒星的光譜。

與通用望遠(yuǎn)鏡合作觀測(cè)

巡天望遠(yuǎn)鏡還常常與通用望遠(yuǎn)鏡緊密合作。所謂通用望遠(yuǎn)鏡，指的是那些根據(jù)精確位置進(jìn)行對(duì)應(yīng)觀測(cè)的望遠(yuǎn)鏡。一些巡天望遠(yuǎn)鏡發(fā)現(xiàn)有價(jià)值的目標(biāo)之后，將這些目標(biāo)源的精確位置定出，使用通用望遠(yuǎn)鏡的天文學(xué)家就可以根據(jù)那些目標(biāo)源的精確位置進(jìn)行后續(xù)觀測(cè)，得到它們的光度演化與某些時(shí)期的光譜信息，從中提取重要信息。

比如，SDSS發(fā)現(xiàn)大量星系的光譜之后，相關(guān)的天文學(xué)家挑出那些比較反常的光譜，讓哈勃太空望遠(yuǎn)鏡觀測(cè)其亮度特征，從中發(fā)現(xiàn)了多個(gè)由引力透鏡引起的壯觀的“愛(ài)因斯坦環(huán)”。再如，2017年雙中子星并合導(dǎo)致的引力波事件發(fā)生后，地面上1米口徑的Swope望遠(yuǎn)鏡迅速掃描其可能存在的那些位置，發(fā)現(xiàn)了伴隨這次引力波的可見(jiàn)光對(duì)應(yīng)體——千新星，此后眾多通用望遠(yuǎn)鏡對(duì)這顆千新星進(jìn)行后續(xù)觀測(cè)，得到了700多個(gè)光度數(shù)據(jù)點(diǎn)和多條光譜，為人們細(xì)致研究中子星并合后的拋出物質(zhì)的化學(xué)成分提供了強(qiáng)有力的工具。

巡天觀測(cè)有至少80年的歷史。過(guò)去十幾年來(lái)，更多更強(qiáng)有力的巡天設(shè)備投入運(yùn)行，讓天文學(xué)家發(fā)現(xiàn)了海量的珍貴數(shù)據(jù)。未來(lái)還有多個(gè)正在計(jì)劃中的巡天計(jì)劃會(huì)啟動(dòng)，如將于2022年開(kāi)始正式運(yùn)行的8米口徑的巡天望遠(yuǎn)鏡——LSST——每年會(huì)發(fā)現(xiàn)幾十萬(wàn)個(gè)可見(jiàn)光爆發(fā)現(xiàn)象;將要升空的寬場(chǎng)紅外巡天衛(wèi)星和歐幾里德紅外衛(wèi)星會(huì)對(duì)宇宙學(xué)的進(jìn)一步發(fā)展作出重大貢獻(xiàn)。

最后需要說(shuō)明的是，有些巡天同時(shí)可以執(zhí)行多種任務(wù)，比如，泛星計(jì)劃和ATLAS，它們既掃描天空、監(jiān)測(cè)到眾多可能威脅地球的小行星，又發(fā)現(xiàn)了大量銀河系外的爆發(fā)現(xiàn)象。

(作者王善欽 廣西大學(xué)物理科學(xué)與工程技術(shù)學(xué)院)