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从BATC到BASS 天文观测巡天的那些事

来源:光明网2019-10-08 11:00

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  利用天文望远镜描绘星空画卷是天文学的一件浩瀚工程,它揭秘宇宙奥秘,引领人类进步。而天文巡天,正是这项伟大工程的最佳实现者,它通过拍摄海量星空图片朴实而细致地为我们呈现神秘的宇宙。在中国,天文巡天也由来已久。今天就让我们来聊聊光学天文巡天的那些历史吧。

  BATC的由来

  天文学从本质上讲是一门以观测为基础的科学,其发展在很大程度上依赖于对尽可能多的样本进行尽可能多的观测为基础建立起来的统计规律。天文学的发展史实际就是一部巡天史。所谓“巡天”,就是对特定的目标天区或全部可见天区进行有目的的仔细巡查。这个看上去笨拙朴素的方法,恰恰是人类与宇宙对话的最佳途径。

  在中国,天文巡天也有着几十年的历史。在上世纪90年代,有着这么一支具有前瞻性天文科学团队,他们率先在国内利用小望远镜开展了大样本大尺度光学巡天。这个巡天就是历时27载,取得了令世人瞻目的卓越成就的BATC巡天。

  BATC大视场多色巡天是1992年由老一代天文学家等发起并组建的大视场、大样本的高精度测光和低分辨光谱的巡天计划。以当时的北京天文台为主,参加单位有美国的亚利桑那大学、我国台湾的中央大学天文研究所以及美国的康涅狄格大学。BATC就是由这四个单位的英语首字母连接而成。

  其实这个巡天计划可以追溯到 1985年,当时 CCD探测器在国际天文界刚使用不久,陈建生院士就提出要在北京天文台(国家天文台前身)的一台基本闲置的 60/90厘米施密特望远镜上配备 CCD探测器。经过几年充分调研,陈院士清醒地认识到国内投资建立项美国的 5米和 10米级望远镜是不现实的。因此充分利用现有设备,积极开展“大样本、大尺度”巡天应该是我们“有所作为”的战略方向。

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图1: 北京天文台兴隆观测站

  中国光学巡天的鼻祖

  说干就干!经过认真的规划,由陈建生院士带领课题组的成员,对原北京天文台兴隆观测基地的60/90厘米施密特望远镜进行了全面的技术改造,配备了大面积 CCD、15个中等带宽滤光片和多种窄带滤光片,覆盖了整个光学波段,组成了极富创新特色的大视场、高精度、低分辨率的大样本天体光谱巡天系统,当时在国际上这也是独一无二的。

  作为中国光学巡天的开拓者,BATC自正式观测运作以来,开辟了从小行星、星团、星系、星系团、类星体到宇宙大尺度结构等一系列有特色的前沿研究领域,承担了中国科学院重大项目和国家基金会重点研究项目,其中部分研究工作在国际上已取得令人瞩目的成果。

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图2:北京天文台60/90厘米施密特望远镜

  紧随国际天文热点的步伐,BATC巡天计划也在不断适应新的环境和挑战。在充分利用施密特望远镜大视场的特点的前提下,团组成员广泛地与国内外天文学家合作,活跃在科研第一线,积极开展不同课题研究。每年研究人员带领学生和观测助手平均观测值班 300天以上,有效观测大于 200天。同时,BATC科研团组也积极进行仪器改造,服务于新的巡天任务。

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图3: BATC观测系统及观测运行

  硕果累累的BATC巡天

  基于BATC大视场多色测光系统和课题成员多年来的潜心观测研究,该观测团组利用施密特望远镜大视场的独特优势, 对各种特殊天体进行了大面积的搜寻工作,取得了一批重要的天文发现。他们还利用高精度多色测光的特点,在不同宇宙尺度的天体物理研究中取得了一批独具特色的研究成果。目前,主要基于 BATC数据发表的科学论文已超过 100篇,超过 1000次的引用,包括《Nature review》和《Nature》的重要引用。从BATC巡天计划开始到2004年,BATC巡天数据被世界著名的数据库收录。

  下面历数BATC的一些主要观测研究成果:

  发现大量的太阳系小行星和HH天体,显著提高国际样本数量

  自1995年,课题组利用BATC系统独特的观测系统开展了小行星的发现和研究工作。项目组至今共发现了近3000颗获得永久编号和命名权的小行星。观测能力和发现数量在国际上名列前茅。至今,他们以著名的科学家、单位和具有特殊意义的地名对百余颗小行星进行了命名,得到了很好的社会效益。

  他们发现的对地球有潜在威胁的我国第一颗近地小行星1997 BR,引起各国小行星观测台站和研究者的极大重视。1997BR在被发现后进行了大量的后继观测和研究,成为1997年被观测次数最多的小行星,也是历史上被观测次数最多的暂定编号小行星之一。

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图4: BATC巡天发现并命名的丽江星(在视场中心)位置的变化

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图5: 丽江星轨道图

  由于HH天体与恒星形成活动间存在着直接和紧密的示踪关系,对于了解大范围星云中的恒星形成状态具有非常重要的意义, 因此BATC巡天在国内率先开始了银道面附近重要恒星形成区HH天体大尺度覆盖性巡天工作,并发表了许多重要的学术论文。共发现40余个HH天体,将国际HH天体的总样本扩大了10%。

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图6: HH天体的位置

  测量了星系晕结构并发现了特殊环形结构

  通过旋转速度曲线是平直的观测结果,可以推测盘星系存在大质量的暗物质晕。这对于研究星系结构演化和宇宙暗物质问题都具有极其重要的影响。BATC团组充分发挥BATC巡天望远镜独有的大视场相机、特殊的中带滤光片系统和精确的平场改正等独特优势,开展了对包括NGC5907在内的多个近邻侧向盘星系的深度面源测光研究,发现了特殊环形结构,取得了极其重要的科学成果,并在此领域产生了深远的影响。

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图7: 侧向星系周边的环形结构

  获得了多个近邻星系关键物理参数的二维分布

  近邻面向星系是研究星系不同星族成份性质及其演化过程的理想对象。BATC巡天获得了多个近邻星系的年龄、金属丰度、恒星质量、恒星形成率和恒星形成历史等诸多参数,从而分析星系不同星族成份及整个星系的形成和演化历史。银河系是一个典型的旋涡星系,对银河系细致的研究是得到星系形成和演化最直接的证据。

  BATC团组对银河系恒星的结构和金属丰度进行了细致的研究,得到了一系列重要成果。星系团是最大的引力束缚系统。对星系团的中成员星系的研究,可使我们获得星系团的动力学结构和成员星系的物理特性及恒星形成历史,最终解决宇宙的起源和演化。目前,BATC团组已经完成对30个近邻星系团的15色测光观测并对其中多个星系团进行过细致的研究,得到了一系列重要结果。

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图8: 漩涡星系M81的恒星平均年龄分布图

  发展全新的方法,用大样本数据研究银河系内外星团

  星团是指由数十颗至几百万颗恒星组成的天体系统,是研究恒星演化和星系结构的载体。BATC巡天对多个银河系的疏散星团进行了国际上唯一的15色测光。基于这些测光的谱能量分布结果,BATC团组发展了一套全新的方法来求解疏散星团的基本参数并判定星团内的成员星。我们还依托BATC巡天的测光数据,结合最新的星族合成模型,对3个近邻面向星系内的星团进行了比较系统的研究,取得了一系列重要成果。

  对剧烈天体的长期观测研究

  耀变体是光变最剧烈的一类活动星系,有很多极端的性质。BATC巡天对一批耀变体开展了7年的系统监测,在国际上首次提出了S5 0716+714中的复合光变机制、发现了OJ 287在光学波段的40天光变周期、首次探测到S5 0716+714的不同光学波段光变之间的时延现象等重要结果。同时他们对超新星开展了深入的搜寻巡天和天体物理研究工作,取得了一系列重要成果。

  走向世界的BASS巡天

  在BATC巡天的长期延续过程中,观测研究的重点有过多次转移。近年来的观测重点为超新星搜巡和系外行星的监视工作。每年可发现超新星最多可到50颗以上,同时还对约70颗类木系外行星系统的掩食过程进行监测。在BATC发展的基础上,课题组研究人员还积极地加入到郭守敬望远镜巡天计划(LAMOST)、中国南极天文和反银心巡天计划。为LAMOST巡天计划,BATC组还利用位于美国基特峰天文台的亚利桑那大学的2.3米望远镜(BOK)开展了约5000平方度的u波段巡天SCUSS。

  SCUSS曾是我国主导的最大面积的光学图像巡天,也是国际上最深的大天区面积近紫外巡天项目。在该项目圆满完成之后,BATC组研究人员又继续利用该望远镜积极地投入暗能量光谱巡天(DESI)的国际合作中。

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  暗能量光谱巡天(DESI)是继斯隆数字巡天(SDSS)之后的下一代宇宙学光谱巡天项目,计划在2020开始5年内观测比SDSS高一个数量级的星系光谱,从而研究宇宙膨胀历史和宇宙结构增长。由国家天文台BATC课题组承担的北京—亚利桑那巡天(BASS)是为DESI提供光谱选源星表的三个图像巡天之一,也是继南银冠u波段巡天(SCUSS)之后,国内主导的最大面积深度巡天。

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  北京——亚利桑那巡天(BASS)是中国科学院国家天文台(NAOC)和亚利桑那大学(UA)之间的国际合作项目。它利用亚利桑那大学的2.3m Bok望远镜对北银冠近5000平方度的区域进行两个光学波段(g和r)的图像观测。点源深度(5σ, 银河系消光改正)分别为g=24.0和r=23.4等。

  BASS结合DESI图像巡天的另外两个部分,MzLS, DECaLS,将为天文学家们提供14000平方度的深度测光巡天数据。结合已有到光谱和将来的DESI光谱,天文研究人员将开展银河系晕结构、近邻星系、星系团、高红移类星体以及宇宙大尺度结构等方面的研究。同时,巡天数据将用于DESI的光谱目标选源。

  BASS巡天观测从2015年1月开始已经进行了3年的观测。截止到2019年2月总共进行了大于一年观测夜,完成了全部巡天任务。BASS项目组分别于2015年12月,2017年1月和12月完成了三次早期数据释放(EDR,DR1和DR2)。2019年9月, 课题组人员完成了BASS数据的完整正式发表。作为一个天文巡天项目完成观测得到原始数据只是工作的一小部分,而大量的时间和人力都用在数据处理工作上。

  作为DESI图像工作组的成员,BASS项目成员和其他成员协调合作,形成了统一的数据处理方法和数据发布方式。项目组成员的BASS数据质量获得了国际同行的认可,并在全世界首次以无保护期(完全公开)的方式发布巡天数据产品。BASS巡天所公开的观测数据,包括了原始图像、处理的图像和星表产品。

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图9: 参加BASS观测的人员由BATC团组和各天文单位的研究人员和学生组成

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图10: BOK望远镜的观测室

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图11: BASS观测的实时监视网页:http://batc.bao.ac.cn/BASS/doku.php?id=observation:observation:facilitystatus

  从1992年到现在,从BATC到BASS,该巡天团组在中国光学天文观测巡天方面做出了重要贡献,也积累了丰富的观测和数据处理的经验和能力。秉承着开展大视场巡天,精细刻画宇宙的宗旨,该团组成员在将来的空间望远镜、中国12米望远镜、国内各科研院所和高校开展的中小望远镜的巡天项目中将积极参与,不遗余力地发挥天文巡天观测的长处和作用。

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图12: BASS数据释放网页:http://batc.bao.ac.cn/BASS/doku.php?id=datarelease:dr3:home

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图13: BASS+MzLS数据的组成的5000平方度彩色星图 http://skyview.china-vo.org/

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图14: BASS观测者在基特峰见证了387个观测夜的日出日落和夜空

  作者:周旭,系国家天文台研究员、BATC团组首席。先后领导或参与了BATC大视场多色巡天、中国南极天文、南银冠u波段巡天、北京-亚利桑那巡天等诸多研究项目;聂俊丹,国家天文台副研究员。从事大视场巡天观测,银河系结构,变星双星的研究。

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