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

不久前，中國科學(xué)院國家天文臺公布了我國自主研發(fā)的光譜巡天望遠(yuǎn)鏡——郭守敬望遠(yuǎn)鏡(LAMOST)過去7年巡天的結(jié)果。在過去7年中，郭守敬望遠(yuǎn)鏡共獲得了1125萬條恒星光譜，其中937萬條光譜為高質(zhì)量光譜，為國際上其他巡天項目的2倍左右。

巡天是天文類新聞中的常見詞語。那么，什么是巡天?它又能分為哪些種類?

將星空盡收眼底

我們的地球位于太陽系，太陽系是銀河系中一個非常普通的恒星系統(tǒng)，銀河系中有幾千億顆和太陽類似的恒星。而廣袤的宇宙中又有無數(shù)類似于銀河系的星系。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)又會發(fā)出大量光芒。為了對盡可能多的星系以及星系中可能的爆發(fā)現(xiàn)象進行系統(tǒng)觀測，天文學(xué)家采用了無差別掃描的方式來觀測它們，這就是天文巡天觀測，簡稱巡天。

根據(jù)巡天觀測的天區(qū)范圍，可以將巡天分為有目標(biāo)巡天與無目標(biāo)巡天。有目標(biāo)巡天針對那些明亮的星系，逐點跳躍，定期觀測列入表的星系，觀測那些星系或者那些星系內(nèi)的爆發(fā)現(xiàn)象。無目標(biāo)巡天又被稱為盲巡天，它的主要特征是對天空的所有可以掃到的區(qū)域進行逐塊掃描，不僅觀測了那些明亮星系，還觀測了大量此前未被注意到的暗弱矮星系。過去十幾年來，針對超新星等可見光輻射為主的一些變源，人們主要采用無目標(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年之間進行的HIPASS項目，就是針對宇宙中的中性氫分子云進行的射電巡天，它采取的是盲巡天模式;暗能量巡天、茲威基巡天設(shè)備、泛星計劃、ATLAS、LOSS、ASASSN、SDSS等巡天都是可見光巡天，且有的具有一定的近紅外和近紫外觀測能力。WISE是紅外巡天中比較著名的一個探測器;費米伽馬射線衛(wèi)星是著名的伽馬射線巡天衛(wèi)星。

有些巡天項目同時用到多個波段，如COSMOS巡天以哈勃太空望遠(yuǎn)鏡上的高級巡天相機為核心，聯(lián)合甚大射電望遠(yuǎn)鏡陣列、XMM-牛頓X射線衛(wèi)星、昴星團望遠(yuǎn)鏡，覆蓋了可見光、近紫外、近紅外、射電與X射線多個波段，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)探測到的光的類型，巡天可以分為光度巡天和光譜巡天。前者只需要測出幾種顏色的光，后者需要將進入望遠(yuǎn)鏡的光先用光譜儀分解為超級細(xì)致的“彩虹”光——光譜，然后再進入相機系統(tǒng)。與變源相關(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)的巡天會采用光譜巡天，如SDSS與開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

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)精確位置進行對應(yīng)觀測的望遠(yuǎn)鏡。一些巡天望遠(yuǎn)鏡發(fā)現(xiàn)有價值的目標(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)源的精確位置進行后續(xù)觀測，得到它們的光度演化與某些時期的光譜信息，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)鏡觀測其亮度特征，從中發(fā)現(xiàn)了多個由引力透鏡引起的壯觀的“愛因斯坦環(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光對應(yīng)體——千新星，此后眾多通用望遠(yuǎn)鏡對這顆千新星進行后續(xù)觀測，得到了700多個光度數(shù)據(jù)點和多條光譜，為人們細(xì)致研究中子星并合后的拋出物質(zhì)的化學(xué)成分提供了強有力的工具。

巡天觀測有至少80年的歷史。過去十幾年來，更多更強有力的巡天設(shè)備投入運行，讓天文學(xué)家發(fā)現(xiàn)了海量的珍貴數(shù)據(jù)。未來還有多個正在計劃中的巡天計劃會啟動，如將于2022年開始正式運行的8米口徑的巡天望遠(yuǎn)鏡——LSST——每年會發(fā)現(xiàn)幾十萬個可見光爆發(fā)現(xiàn)象;將要升空的寬場紅外巡天衛(wèi)星和歐幾里德紅外衛(wèi)星會對宇宙學(xué)的進一步發(fā)展作出重大貢獻。

最后需要說明的是，有些巡天同時可以執(zhí)行多種任務(wù)，比如，泛星計劃和ATLAS，它們既掃描天空、監(jiān)測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)