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从BATC到BASS 天文观测巡天的那些事
发布时间: 2019-12-03 10:22:12 点击率:854

用天文望远镜画星空是天文学的一项庞大工程。它揭示了宇宙的奥秘并引领人类进步。天文测量是这个伟大项目的最佳实施者。它通过拍摄大量的恒星图像,以简单而细致的方式向我们展示了一个神秘的宇宙。在中国,天文测量有着悠久的历史。今天,让我们来谈谈光学天文测量的历史。

batc的起源

天文学本质上是一门基于观测的科学,它的发展在很大程度上取决于建立在尽可能多的观测和尽可能多的样本基础上的统计规律。天文学的发展史实际上是一部巡天的历史。所谓的“空中巡逻”(sky patrol)是指有目的地仔细检查特定的目标天空区域或所有可见的天空区域。这种看似笨拙而简单的方法恰恰是人类与宇宙对话的最佳方式。

在中国,天文测量也有几十年的历史。在20世纪90年代,有这样一个前瞻性的天文科学团队,他们率先使用小型望远镜对中国的大样本进行大规模光学测量。这就是持续了27年的巴特茨天空之旅(batc Sky Tour),取得了令世界期待的杰出成就。

Batc大视场多色天空调查(Batc Large Field of View多色天空调查)是1992年由老一辈天文学家等人发起和组织的一项天空调查计划,针对高精度光度测量和大视场大样本的低分辨率光谱。当时,北京天文台是主要参与者,美国亚利桑那大学、台湾中央大学天文研究所和美国康涅狄格大学参与其中。Batc由这四个单元的英文首字母连接而成。

事实上,天空测量项目可以追溯到1985年,当时ccd探测器刚刚在国际天文学界使用。陈建生院士提议为北京天文台(国家天文台的前身)的一台基本上不用的60/90厘米施密特望远镜配备一个ccd探测器。经过几年的全面调查,陈院士清楚地认识到,在美国投资建立5米和10米望远镜是不现实的。因此,充分利用现有设备,积极开展“大样本、大规模”调查应该是我们的战略方向。

图1:北京天文台兴隆观测站

中国光学巡天的创始人

照你说的做!经过精心策划,陈建生院士带领研究组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。配备大面积ccd、15个中带宽滤波器和多种窄带滤波器,覆盖整个光带,形成了一个大视场、高精度、低分辨率的极具创新性的大样本天体光谱巡天系统,这在当时也是世界上独一无二的。

作为中国光学测量的先驱,batc自正式观测和运行以来,开辟了一系列独特的前沿研究领域,从小行星、星团、星系、星系团、类星体到宇宙的大规模结构。BATC承担了中国科学院重大项目和国家基金会重点研究项目,部分项目在国际上取得了显著成果。

图2:北京天文台60/90厘米施密特望远镜

随着国际天文热点的步伐,batc的天空测量计划不断适应新的环境和挑战。在充分利用施密特望远镜大视野的前提下,小组成员与国内外天文学家广泛合作,活跃在科学研究的前沿,积极开展不同课题的研究。每年,研究人员带领学生和观察助理平均观察300多天,有效观察持续200多天。与此同时,batc科学研究小组也在积极改革其仪器,以服务于新的使命。

图3: batc观测系统和观测操作

富有成效的batc之旅

基于batc的大视场多色测光系统和多年来项目成员的苦心观察和研究,观测小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搜索,并取得了一些重要的天文发现。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学研究中获得了许多独特的研究成果。目前,主要基于batc数据发表的科学论文超过100篇,引文超过1000篇,包括《自然评论》和《自然》的重要引文。从巴托克天空调查计划开始到2004年,巴托克天空调查数据由世界著名的数据库收集。

以下是batc的一些主要观察和研究结果:

发现了大量太阳系小行星和hh天体,大大增加了国际样本的数量

自1995年以来,研究小组利用batc系统独特的观测系统进行小行星的发现和研究。到目前为止,项目团队已经发现了近3000颗具有永久编号和命名权的小行星。观察的能力和发现的数量是世界上最好的。迄今为止,他们已经用著名的科学家、单位和具有特殊意义的地名命名了100多个小行星,取得了良好的社会效益。

中国第一颗近地小行星1997 br的发现对地球构成了潜在威胁,引起了各国小行星观测站和研究人员的极大关注。1997年br被发现后,进行了大量后续观察和研究,成为1997年观察次数最多的小行星,也是历史上观察次数最多的暂定小行星之一。

图batc调查发现并命名的丽江星(在视场中心)位置的变化

图5:丽江卫星轨道图

由于hh天体与恒星形成活动之间有着直接而密切的追踪关系,这对了解大规模星云中的恒星形成状态具有重要意义,batc Sky Survey率先在银河平面附近的重要恒星形成区域开展hh天体的大规模覆盖调查,并发表了许多重要的学术论文。总共发现了40多个hh物体,将国际hh物体的总样本扩大了10%。

图6:HH天体的位置

测量了银河晕结构,发现了一个特殊的环结构。

根据转速曲线呈直线的观测结果,可以推断盘状星系有一个大质量的暗物质晕。这对星系结构演化和宇宙暗物质问题的研究有着极其重要的影响。batc集团充分利用了batc巡天望远镜的独特优势,如大视场摄像机、特殊的中带滤波系统和精确的平场校正。它对包括ngc5907在内的几个邻近的侧盘星系进行了深度面源光度学研究。它发现了一种特殊的环形结构,取得了极其重要的科学成就,并在这一领域产生了深远的影响。

图7:横向星系周围的环形结构

获得了几个邻近星系关键物理参数的二维分布

面向近邻的星系是研究不同星系恒星族性质和演化过程的理想对象。Batc获得了几个邻近星系的年龄、金属丰度、恒星质量、恒星形成速率和恒星形成历史等诸多参数,从而分析了星系和整个星系不同恒星族组成的形成和演化历史。银河系是一个典型的螺旋星系。对银河系的详细研究是星系形成和演化的最直接证据。

Batc集团对银河系恒星的结构和金属丰度进行了详细的研究,并取得了一系列重要成果。星系团是最大的引力束缚系统。对星系团中间成员星系的研究可以使我们获得星系团的动态结构、成员星系的物理特征和恒星形成历史,最终解决宇宙的起源和演化。目前,batc集团已经完成了对30个相邻星系团的15色光度观测,并对其中许多星系团进行了详细研究,取得了一系列重要成果。

图8:螺旋星系m81中恒星的平均年龄分布

开发一种新方法,利用大样本数据研究银河系内外的星团。

星团(Cluster)是指由数千万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天空调查对许多星系中的开放星系团进行了世界上唯一的15色光度测量。batc集团根据这些光镜的光谱能量分布结果,开发了一种全新的方法来求解开放星团的基本参数和确定星团中的成员恒星。基于batc测量的光度数据和最新的恒星族合成模型,我们还对邻近的三个面向银河系的星团进行了系统研究,并取得了一系列重要成果。

暴力天体的长期观测

耀斑是一种光线变化最强烈的活跃星系,具有许多极端性质。巴托克天空调查公司对一批瑶族变体进行了7年的系统监测。s5 0716 714中首次提出复合光变机制,并发现了oj 287在光带中的40天光变周期等重要结果,s5 0716 714中首次检测到不同光带中光变之间的时延现象。与此同时,他们对超新星进行了深入搜索和天体物理研究,并取得了一系列重要成果。

巴斯环游世界

在batc调查的长期持续过程中,观察和研究的重点已经转移了许多次。近年来,观测的重点一直是超新星搜索和外行星监测。每年可以发现多达50颗超新星,大约70个类木系外行星系统的日食过程也受到监测。基于batc的发展,研究小组的研究人员也积极加入了郭守敬望远镜天空调查(lamost)、中国南极天文学和反银心天空调查。对于拉莫特天空调查,batc还在美国基特峰天文台使用亚利桑那大学的2.3米望远镜(bok)进行了约5000平方度的U波段天空调查。

Scuss曾是中国最大的光学图像调查和世界上最深的近紫外调查。项目成功完成后,batc研究人员继续使用望远镜积极参与desi的国际合作。

暗能量光谱调查(desi)是继斯隆数字调查(sdss)之后的下一代宇宙光谱调查项目。计划从2020年开始,在5年内观测比sdss高一个数量级的星系光谱,以研究宇宙膨胀和宇宙结构增长的历史。由国家天文台batc研究小组承担的北京-亚利桑那天空调查(bass)是为desi提供光谱源目录的三次图像调查之一,也是继南方银冠U波段天空调查(scuss)之后中国最大的深度天空调查。

北京——亚利桑那天空调查是中国科学院国家天文台和亚利桑那大学之间的国际合作项目。它使用亚利桑那大学的2.3米博克望远镜观察北银冠近5000平方度区域的两个光学带(G和R)的图像。点源深度(5σ,银河系消光校正)分别为g = 24.0和r=23.4。

Bass与desi图像测量的另外两个部分mzls和贴花相结合,将为天文学家提供14000平方度的深度光度测量数据。将现有光谱与未来desi光谱相结合,天文研究人员将对银河系、邻近星系、星系团、高红移类星体和宇宙大尺度结构进行研究。同时,天空测量数据将用于desi的光谱目标选择。

自2015年1月以来,巴斯天空调查已经进行了三年。截至2019年2月,共进行了一年多的观测夜,所有天空调查均已完成。bass项目团队分别于2015年12月、2017年1月和2017年12月完成了三个早期数据发布(edr、dr1和dr2)。2019年9月,研究小组的研究人员完成了低音数据的全面正式发布。作为天文测量项目,从观测中获得的原始数据只是工作的一小部分,并且在数据处理上花费了大量的时间和人力。

作为desi图像工作组的成员,bass项目成员与其他成员协调合作,形成统一的数据处理方法和数据发布方法。项目团队成员的bass数据质量得到了国际同行的认可,巡逻数据产品首次以无保护(完全开放)的方式发布。bass调查发布的观察数据包括原始图像、经过处理的图像和目录产品。

图9:低音观测的参与者由蝙蝠小组和来自不同天文单位的研究人员和学生组成。

图10:博克望远镜观察室

图11:低音观察的实时监控页面:http://batc.bao.ac.cn/bass/doku.php?标识=观察:观察:设备状态

从1992年至今,从batc到bass,巡逻队对中国的光学天文观测做出了重要贡献,在观测和数据处理方面积累了丰富的经验和能力。坚持开展大视场巡天、精细描绘宇宙的宗旨,集团成员将积极参与未来空间望远镜、中国12m望远镜、国内科研院所和高校开展的中小望远镜巡天项目,不遗余力地充分发挥天文巡天的优势和功能。

图12:低音数据发布网页:http://batc.bao.ac.cn/bass/doku.php?标识=数据发布:dr3:主页

图13:由BASS+MZLS数据组成的5000平方彩色星图http://skyview.china-vo.org/

图14:巴斯观测者在基特峰见证了387个日出、日落和夜空的观测夜。

作者:徐洲,国家天文台研究员,batc代表团团长。他先后领导或参与了batc大视场多色天空调查、中国南极天文学、南方银冠U波段天空调查、北京-亚利桑那天空调查等多项研究项目。聂单君,国家天文台副研究员。从事大视场天空测量、星系结构、变星双星研究。

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