LoTSS巡天：低频天空的高清图像

　　在言必称多波段天文学的今天，不同覆盖频率的巡天项目早已将天空扫描了无数遍。无论是可见光下的群星璀璨、星系遍布，高能天空中的黑洞喘息、粒子奔涌，抑或红外辐射所穿透的尘埃翻涌，还是射电波段的氢云弥漫，都揭示了宇宙迥异而又彼此关联的不同面目。

　　不同频段的天空图像（图片提供：GSFC/NASA）

　　不过波长达到米级的低频射电波一直以来都是高精度大型巡天的盲区。其实个中原因非常简单，这一频段天生就存在多且复杂的干扰多信号（如各式电视、广播电台、气象卫星以及对讲机都在这一频段工作，而大气电离层的湍动也会引入可观的不确定性），传统形式的天线长波分辨率也很是逊色（哪怕使用FAST这样巨大的望远镜进行观测，所能达到的分辨率也只有零点几度，甚至比满月的视直径都要宽），因此要想得到具有科学意义的米波观测结果，谈何容易。

　　好在荷兰射电天文学研究所（ASTRON）新近公布第一批数据的低频2米波巡天（LoTSS）正在填补这一空白。这项由低频阵LOFAR进行中的计划旨在测绘120-168 MHz频段上的整个北天，这次发表的结果只是个开端而已，其只涵盖了大约15平方度的天区，涉及的数据体量只及最终产品的50分之一。就算如此，这里也蕴涵了超过32个射电源的信息，很多对于研究者来说也是全新的。

　　LoTSS巡天第一期结果的30分之一天区覆盖，其中可见大量点源，另外还有不少表现出了延展结构的射电星系。图中的满月只用于大小比较，不带有任何位置信息。（图片提供：Judith Croston and the LOFAR surveys team；满月影像提供：Gregory H. Revera/Wikimedia Commons）

　　LOFAR能够开展如此壮举的要诀在于大大提升系统分辨率的干涉仪技术与带来波束指向灵活性的相控阵设计。LOFAR阵列由遍布荷兰本土以及欧洲各国的50个站点组成，每个站点都包括大量小型廉价固定式天线，可以被视作是一组相控阵；而各站点两两相关，一道构成了强大的干涉仪系统。采用相控阵干涉仪设计的好处不仅在于大大降低了建设成本，更带来了效率的提升——在记录数据时，LOFAR的天线毋须旋转，望远镜的波束指向是通过软件处理来进行合成的，由此让同一组设备同时瞄准不同的目标就成为了可能。

　　LOFAR使用的偶极子天线特写。（图片提供：ASTRON）

　　当然，LOFAR所取得的成功是建立在计算机和软件技术快速发展的基础之上的——相对军用设备而言，射电天文学专用的相控阵天线对数据处理精度要求要高得多，因此波束合成工作需要启用海量的计算资源。LOFAR是最早运用此类设计的范例之一，未来这样的结构还将用于平方千米阵（SKA）的低频阵，后者可以让观测灵敏度在LOFAR的基础上再提升一个数量级。不过LOFAR跨越大半个欧洲的超长基线（最长可达1500千米）让它具备了哪怕SKA也难以比拟的分辨率优势——在LoTSS巡天所涵盖的波段上，LOFAR甚至能解析出不到0.5角秒宽的细节。

　　现在LoTSS巡天已经观测了北天的1/4，不过这第一批公布的结果只占已观测的10分之一还不到。这些数据所对应的天区大致以北斗七星的勺柄为中心，总面积约合424平方度。光是这些内容就足以塞满1000万张DVD光盘了，今后全面的巡天能带来多少信息，足见一斑。

　　在频率如此低的天空中，LOFAR看到的都是些什么东西？相对来说还算幸运的是，研究者找到了这32万余个低频源中差不多70%的光学对应天体，它们大抵是河外星系。由于LoTSS的观测频段属于射电连续谱的范畴，巡天所见的星系低频射电辐射多半来自星系中央黑洞的活动，其中还揭示出了大量蜿蜒绵长的喷流结构——而环绕着贯穿黑洞喷流的磁力线作螺旋运动的带电粒子就可以发出这样的辐射。

　　射电星系3C31的低频射电（红色）与可见光（蓝白色）合成图。（图片提供：Volker Heesen and the LOFAR surveys team）

　　LoTSS巡天初期结果中尤其吸引人的是，该项目在几乎所有扫描过的较大质量星系中都看到了黑洞喷流的踪影，说明它们中间的黑洞都处在吞噬周边物质的活跃期，这为星系演化与特大质量黑洞的起源带来了重要线索。

　　除此之外，星系以及星系团之间的相互作用也能产生弥漫的低频射电波。这是由于在相互作用期间，星系际介质中的带电粒子会被激波或湍流所加速，这些粒子也能够通过非热辐射的方式昭告自身。由此，我们可以窥探某些在光学波段并不明显的星系/星系团并合过程。颇让人感到意外的是，由于LoTSS的灵敏度，它这次还发现了大量孤立星系团的低频射电辐射，虽然这样的辐射水平相较并合中的星系团低了很多，但也绝不为零。这说明粒子加速的过程也可能存在于更大的尺度上，毋须并合过程即可发生。

　　旋涡星系M51及其伴星系的低频射电（红、黄色）与可见光（灰度）合成图，可见两个星系的相互作用在星系之间并无可见光的区域留下了射电辐射的痕迹。（图片提供：Sean Mooney/LOFAR Surveys Team/Digitized Sky Survey）

　　LoTSS其实并非LOFAR的第一个大规模巡天项目。2015年公布第一批数据的多频率快照巡天（MSSS）是该阵列进行的最早尝试。不过如其名所示，MSSS的要点在于以较快速度扫描北天，灵敏度要比LoTSS低上百倍，其分辨率也因为并未充分利用LOFAR的海外站点而远逊于后者，只有2角分上下。而在LoTSS的基础上，研究者还在针对牧夫座、洛克曼空穴以及Elais-N1等重点天区进行更深入的观测，以图让灵敏度更上层楼，从而了解高红移宇宙的整体环境以及恒星形成、星系核活动史的演化。

　　最终当LoTSS完成后，整个数据集将以空前的分辨率和SKA全面落成前最高的灵敏度，提供数以千万计的低频射电源信息。而现在，低频宇宙的模样才刚刚开始展现。

　　作者简介

　　张博，毕业于南京大学天文学系，获博士学位，现在国家天文台FAST科学部从事射电数据处理相关工作。