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群星璀璨的國(guó)產(chǎn)大片，帶你找到遺失的天空 | 賽先生天文

2019/03/13

導(dǎo)讀

BASS巡天邀你一起去看北銀冠星海

BOK望遠(yuǎn)鏡附近觀(guān)測(cè)的銀河系星軌圖。前面的望遠(yuǎn)鏡是BASS巡天用的BOK 2.3米望遠(yuǎn)鏡，背景望遠(yuǎn)鏡是DESI的MzLS圖像巡天用的Mayall 4米望遠(yuǎn)鏡。（照片來(lái)自BASS觀(guān)測(cè)者李峰）

仰望星空，群星璀璨，浩瀚星辰，何以窮數(shù)？在我們的北天，你能看到一片由3.5億顆恒星和星系組成的星海。3.5億是什么概念？如此之多的星星在天上又是怎么分布的？今天我們要給大家介紹的這部天文國(guó)產(chǎn)大片就要為你揭曉答案，帶你走進(jìn)這片美麗的星海，找到北天曾經(jīng)遺失的星空。

撰文 | 聶俊丹（國(guó)家天文臺(tái)）

編輯 | 韓越揚(yáng) 金莊維

對(duì)于大眾來(lái)說(shuō)，星空聽(tīng)起來(lái)浪漫而又遙遠(yuǎn)，摘星指月更是遙不可及。但是有了天文望遠(yuǎn)鏡，天文學(xué)家就可以帶著你一起，去實(shí)現(xiàn)觀(guān)星探月的愿望。神秘的星空不僅能夠帶給我們無(wú)窮的想象，同時(shí)也為我們打開(kāi)了宇宙奧秘的大門(mén)。正是人類(lèi)對(duì)宇宙的好奇，不斷激勵(lì)著一代又一代仰望星空的人，腳踏實(shí)地地開(kāi)展巡天項(xiàng)目——用望遠(yuǎn)鏡來(lái)描繪星空畫(huà)卷，推動(dòng)人類(lèi)對(duì)宇宙認(rèn)識(shí)的進(jìn)步。

追溯到以往任何一個(gè)觀(guān)星項(xiàng)目，上至上世紀(jì)40年代初現(xiàn)規(guī)模的小視場(chǎng)巡天，下至不久剛公開(kāi)的全天多波段Pan-STARRS1[1]巡天，任何一個(gè)圖像巡天的終極目標(biāo)都是通過(guò)快速獲得未知星空的信息，解決天文學(xué)難題。

而我們今天要介紹的BASS巡天，是一個(gè)以中國(guó)為首開(kāi)展的大面積光學(xué)圖像巡天項(xiàng)目。它旨在通過(guò)拍攝海量專(zhuān)業(yè)星空?qǐng)D像來(lái)繪制百kpc范圍內(nèi)的宇宙（1kpc約為3261.564光年），讓我們對(duì)頭頂上的這片星空能有更遠(yuǎn)、更透徹的認(rèn)識(shí)。

BASS項(xiàng)目[2,3,4,5]的全稱(chēng)是Beijing Arizona Sky Survey，是由國(guó)家天文臺(tái)BATC團(tuán)組和亞利桑那大學(xué)Steward 天文臺(tái)合作開(kāi)展的g和r波段深度圖像巡天（g,r為不同波段的巡天濾光片的代號(hào)，其中：g濾光片為3783-5549 ?，有效波長(zhǎng)4776 ?，r濾光片為5680-7110?，有效波長(zhǎng)6412 ?）。它利用美國(guó)亞利桑那州Kitt Peak觀(guān)測(cè)基地的BOK 2.3米望遠(yuǎn)鏡，進(jìn)行了四年的巡天（2015年1月-2019年2月），共完成了對(duì)北銀冠5200平方度天區(qū)的觀(guān)測(cè)。

到目前為止，BASS項(xiàng)目已經(jīng)釋放了包含3.5顆億恒星和星系的測(cè)量信息，最終版本的星表將在2019年中旬釋放。待到該星表釋放后，5200平方度的完整星空畫(huà)卷將會(huì)以海量真實(shí)圖片和星羅棋布的星表的形式呈現(xiàn)在你面前。

巧奪天工的國(guó)產(chǎn)大片

在介紹國(guó)產(chǎn)天文大片之前，我們先來(lái)梳理一下國(guó)際天文的“好萊塢”大片。在北銀冠，目前國(guó)際著名的大視場(chǎng)光學(xué)測(cè)光巡天有SDSS[6]和Pan-STARRS1。

對(duì)于天文專(zhuān)業(yè)人士來(lái)說(shuō)，SDSS并不陌生。遠(yuǎn)到類(lèi)星體，近到近鄰宇宙和冷的矮星系，SDSS都提供了海量測(cè)光和光譜數(shù)據(jù)，并且產(chǎn)生了無(wú)數(shù)顯著的科研成果。可以毫不謙虛地說(shuō)，SDSS是一個(gè)非常成功的光學(xué)巡天項(xiàng)目，它為我們認(rèn)識(shí)近鄰宇宙做了非常大的貢獻(xiàn)。但是，SDSS開(kāi)始于十幾年前，它的巡天深度只到22等，并且它的巡天模式敏感于低紅移星系以及亮的類(lèi)星體。另外，對(duì)研究銀河系結(jié)構(gòu)的天文學(xué)家來(lái)說(shuō)，SDSS的探測(cè)深度只能探測(cè)到銀暈比較淺的部分，而這部分卻只是銀暈的冰山一角。

繼SDSS之后，大大小小的巡天有如雨后春筍般涌現(xiàn)出來(lái)。Pan-STARRS1就是到目前為止巡天面積最大，巡天深度最深的一個(gè)光學(xué)多波段圖像巡天。它覆蓋北緯-30度以上的全部天區(qū)，占全天的3/4，并且有g(shù)rizy 5個(gè)波段，比SDSS大概深1等左右。這個(gè)巡天項(xiàng)目可以說(shuō)是個(gè)天文大工廠(chǎng)，任何研究都可以在這里各取所需，大展拳腳。但Pan-STARRS1的局限在于它只比SDSS稍微深一點(diǎn)，而且它的z波段比SDSS還要淺。

在未來(lái)的LSST[7]問(wèn)世之前，從SDSS到Pan-STARRS1，它們的探測(cè)深度都不能夠滿(mǎn)足天文學(xué)家對(duì)宇宙探索的更大需求。光學(xué)多波段大視場(chǎng)巡天在此斷層了。這個(gè)問(wèn)題在北天顯得尤為突出，因?yàn)樵谀咸煊姓诰o鑼密鼓進(jìn)行和計(jì)劃的Skymapper[8]，KIDS[9]和LSST三個(gè)巡天項(xiàng)目。另外，只有更深的圖像巡天才能和現(xiàn)有的光譜巡天數(shù)據(jù)匹配，做出更顯著的科研成果。

而本文的主角，“國(guó)產(chǎn)大片”BASS項(xiàng)目是一個(gè)由國(guó)家天文臺(tái)主導(dǎo)，與美國(guó)亞利桑那大學(xué)合作開(kāi)展的大視場(chǎng)多波段的深度巡天項(xiàng)目。它的巡天目標(biāo)是利用Steward天文臺(tái)2.3米BOK望遠(yuǎn)鏡的g和r濾光片觀(guān)測(cè)北銀冠靠北的5200平方度。天區(qū)面積覆蓋了SDSS天區(qū)的一半，深度比SDSS深2-3個(gè)星等，可以看到大量SDSS遺失的那些恒星和星系。

圖1. BASS和SDSS對(duì)比圖。BASS比SDSS能看到更多暗的源。（圖源：參考資料[4]）

根據(jù)科學(xué)要求，整個(gè)巡天天區(qū)被劃分為5194個(gè)天區(qū)，每個(gè)天區(qū)大約為1平方度左右，每個(gè)天區(qū)進(jìn)行3次重復(fù)拍攝以求達(dá)到累計(jì)深度為24等的要求。這個(gè)巡天目標(biāo)將使得BASS產(chǎn)生新一代的北銀冠圖像數(shù)據(jù)，成為當(dāng)前北銀冠多波段深度巡天的領(lǐng)軍項(xiàng)目。

得天獨(dú)厚的北銀冠

所謂的北銀冠，是指在銀道坐標(biāo)系統(tǒng)中以北銀極為起點(diǎn)，銀道面為分界面，距離銀道面一定緯度范圍內(nèi)的天區(qū)。由于它的外形酷似一頂帽子，故取名為北銀冠（North Galactic Cap）。當(dāng)然，北銀冠這頂帽子的帽沿可長(zhǎng)可短，只要避開(kāi)星場(chǎng)密集的銀道面就可以了。這樣就可以讓巡天望遠(yuǎn)鏡看到銀暈?zāi)酥零y河系外。

另外，北銀冠覆蓋了大部分的北天天區(qū)，地處北半球的望遠(yuǎn)鏡都能觀(guān)測(cè)到（當(dāng)然觀(guān)測(cè)面積大小受望遠(yuǎn)鏡的地理位置而異），因此在眾多巡天項(xiàng)目中它都占據(jù)舉足輕重的地位。SDSS和Pan-STARRS1的巡天范圍都包括了北銀冠。

圖2. BASS巡天天區(qū)圖。橫坐標(biāo)為赤經(jīng)，縱坐標(biāo)為赤緯。圖中藍(lán)色區(qū)域?yàn)锽ASS巡天天區(qū)，赤經(jīng)范圍從100到280度，赤緯范圍從30到90度，覆蓋了銀緯18度以上北銀冠靠北的5200平方度。灰色條塊為SDSS巡天天區(qū)，紅色為銀道面。（圖源：參考資料[3]）

BASS巡天天區(qū)的設(shè)計(jì)，一方面是受望遠(yuǎn)鏡觀(guān)測(cè)能力的限制，另外一方面是為了和其它已有的巡天，如SDSS，形成重疊和互補(bǔ)，有利于更多科學(xué)課題的開(kāi)展。當(dāng)然，BASS巡天也在配合未來(lái)的DESI[10]光譜巡天，為其提供更優(yōu)秀的選源星表。

神圣的Kitt Peak山頭

BASS巡天所在地是Kitt Peak，這里是印第安人的圣山，地處美國(guó)亞利桑那州圖桑市的沙漠地帶。無(wú)論是天文愛(ài)好者或是天文專(zhuān)業(yè)人員，對(duì)它都不會(huì)陌生，因?yàn)檫@里擁有世界著名的天文觀(guān)測(cè)基地。

Kitt Peak海拔2096米，距離圖桑市區(qū)88公里，常年干旱，屬于沙漠地帶，一年晴天數(shù)多達(dá)260多個(gè)，空氣寧?kù)o，很適合進(jìn)行天文觀(guān)測(cè)。在最初天文臺(tái)選址的時(shí)候，圖桑市只是一個(gè)小鎮(zhèn)子，遠(yuǎn)離亞利桑那州的州府鳳凰城，燈光污染并不嚴(yán)重。與此同時(shí)，圖桑小鎮(zhèn)還能保證充足的物資供給，所以Kitt Peak才被被眾多天文機(jī)構(gòu)所青睞。

從1958年開(kāi)始，相繼有望遠(yuǎn)鏡建造于此。從光學(xué)到射電，目前這里一共建造了20多架望遠(yuǎn)鏡（圖3），成為了北半球最大的天文觀(guān)測(cè)基地。這些望遠(yuǎn)鏡從白天到黑夜，周而復(fù)始地收集來(lái)自天空各個(gè)角落的信息，給我們帶來(lái)了許多重要的天文發(fā)現(xiàn)。

圖3. Kitt Peak觀(guān)測(cè)基地望遠(yuǎn)鏡一覽圖。最近的為BOK 2.3米望遠(yuǎn)鏡。（照片來(lái)自BASS觀(guān)測(cè)者周旭）

去過(guò)Kitt Peak觀(guān)測(cè)的人對(duì)當(dāng)?shù)氐南扇苏埔欢ㄓ∠笊羁蹋菆D桑的地標(biāo)植物。從市區(qū)驅(qū)車(chē)上山觀(guān)測(cè)，沿途威嚴(yán)聳立的仙人掌樹(shù)隨處可見(jiàn)（圖4），它們就如一個(gè)個(gè)對(duì)天文充滿(mǎn)崇敬的哨兵，守護(hù)著這些望遠(yuǎn)鏡。

圖4. 圖桑市的仙人掌樹(shù)（照片來(lái)自BASS觀(guān)測(cè)者周志民）

BASS 巡天所用的BOK 2.3米望遠(yuǎn)鏡就建造在Kitt Peak山上。它隸屬于亞利桑那大學(xué)的Steward天文臺(tái)。BOK望遠(yuǎn)鏡建造于1967年，以曾經(jīng)的天文臺(tái)臺(tái)長(zhǎng)Bart Bok先生的名字命名，是Steward天文臺(tái)在Kitt Peak山上最大的光學(xué)望遠(yuǎn)鏡。它有3個(gè)終端設(shè)備，可以做測(cè)光也可以拍攝光譜。BASS的圖像巡天拍攝用的是這個(gè)望遠(yuǎn)鏡的90Prime攝像儀。

BASS巡天能進(jìn)行觀(guān)測(cè)的時(shí)間是每年1-7月，觀(guān)測(cè)者有來(lái)自世界和中國(guó)各地的天文學(xué)者、研究生和博士后，四年間總觀(guān)測(cè)人次數(shù)超過(guò)90人次。他們共同完成了精細(xì)刻畫(huà)北銀冠的神圣任務(wù)。

圖5. BOK望遠(yuǎn)鏡圓頂內(nèi)景（照片來(lái)自BASS觀(guān)測(cè)者周旭）

“看天吃飯”

從2015年起，中國(guó)團(tuán)隊(duì)在每年1-7月都會(huì)赴美觀(guān)測(cè)，每月觀(guān)測(cè)5-15天左右，四年共計(jì)375晚。天文觀(guān)測(cè)是一個(gè)靠天吃飯的行業(yè)，月色濃郁這些詩(shī)般美妙的詞語(yǔ)對(duì)觀(guān)測(cè)者來(lái)說(shuō)如同噩夢(mèng)。他們需要的是晴朗寧?kù)o穩(wěn)定的夜。

圖6. Kitt Peak 夜間星空?qǐng)D，最明顯的那條玉帶便是銀河。（照片來(lái)自BASS觀(guān)測(cè)者王永浩）

每天下午五六點(diǎn)鐘，趁著太陽(yáng)還沒(méi)有落下，觀(guān)測(cè)者們就將進(jìn)入圓頂進(jìn)行各式各樣的觀(guān)測(cè)準(zhǔn)備，例如：灌注液氮、拍攝用于校準(zhǔn)圖像的本底（Bias）和圓頂平場(chǎng)（DomeFlat），并生成用于巡天觀(guān)測(cè)的全自動(dòng)望遠(yuǎn)鏡運(yùn)行腳本。天氣好的情況下，一切準(zhǔn)備就緒，等待昏影結(jié)束就可以開(kāi)始每一日的觀(guān)測(cè)。

在望遠(yuǎn)鏡進(jìn)行巡天的過(guò)程中，觀(guān)測(cè)非常智能化，需要觀(guān)測(cè)者手動(dòng)操作的東西并不多。觀(guān)測(cè)策略程序已經(jīng)根據(jù)恒星時(shí)和觀(guān)測(cè)天區(qū)生成好了操控望遠(yuǎn)鏡的腳本，觀(guān)測(cè)者只需要監(jiān)視屏幕上的天氣狀況、望遠(yuǎn)鏡指向、圖像質(zhì)量等幾個(gè)數(shù)值，微調(diào)一下望遠(yuǎn)鏡位置、焦距和曝光時(shí)間就可以了?？刂仆h(yuǎn)鏡的觀(guān)測(cè)腳本會(huì)實(shí)時(shí)更新，保證高效高質(zhì)量地進(jìn)行巡天而不浪費(fèi)寶貴的觀(guān)測(cè)時(shí)間。

圖7. BASS觀(guān)測(cè)操縱室實(shí)景（照片來(lái)自BASS觀(guān)測(cè)者李峰）

但是天氣往往變化多端。原計(jì)劃2018年7月底完成所有天區(qū)觀(guān)測(cè)，由于受厄爾尼諾現(xiàn)象的影響，巡天沒(méi)有按時(shí)完成，推遲到了2019年2月才完成了全部天區(qū)的巡天。

巡天團(tuán)組從美國(guó)觀(guān)測(cè)回來(lái)后會(huì)及時(shí)對(duì)BASS數(shù)據(jù)進(jìn)行精細(xì)處理，以求數(shù)據(jù)質(zhì)量高精度化。

作為一個(gè)開(kāi)創(chuàng)性的公開(kāi)巡天項(xiàng)目，BASS巡天在數(shù)據(jù)所有權(quán)和使用權(quán)上秉承著對(duì)全世界完全開(kāi)放的態(tài)度，不設(shè)數(shù)據(jù)保護(hù)期。這樣開(kāi)放的態(tài)度也給了非專(zhuān)業(yè)人士一些難得的福利。

找到遺失的天空

生活在城市里，你可能很少，甚至都沒(méi)有時(shí)間沒(méi)有空間抬頭看下頭頂上的這片璀璨星空。有的人甚至不知道銀河在哪里。有了BASS，你足不出戶(hù)就可以看到頭頂上的燦爛星空。

為了更方便服務(wù)于專(zhuān)業(yè)和非專(zhuān)業(yè)人士探索星空，國(guó)家天文臺(tái)虛擬天文臺(tái)和BATC團(tuán)組共同為BASS開(kāi)發(fā)了一套星空導(dǎo)航軟件——skyview[11]。有了g和r兩個(gè)波段，再加上美國(guó)MzLS[12]同期觀(guān)測(cè)的z波段，skyview復(fù)原了北天的真彩星空。在這里只需你隨便動(dòng)動(dòng)鼠標(biāo)，就能看到漂亮的星團(tuán)，各種形態(tài)的大星系，甚至可以看到銀河系的微小子結(jié)構(gòu)（圖8）。在看星海的過(guò)程中，如果你想看下已知天體或是go to到你想到的坐標(biāo)，你只需在頁(yè)面上輸入名稱(chēng)或是坐標(biāo)就能達(dá)你所愿。如果你看到某片漂亮星空想拿來(lái)做手機(jī)屏幕，ok，你隨意我“買(mǎi)單”，海量圖像隨意下載。