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群星璀璨的國產(chǎn)大片，帶你找到遺失的天空 | 賽先生天文

2019/03/13

導讀

BASS巡天邀你一起去看北銀冠星海

BOK望遠鏡附近觀測的銀河系星軌圖。前面的望遠鏡是BASS巡天用的BOK 2.3米望遠鏡，背景望遠鏡是DESI的MzLS圖像巡天用的Mayall 4米望遠鏡。（照片來自BASS觀測者李峰）

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產(chǎn)大片就要為你揭曉答案，帶你走進這片美麗的星海，找到北天曾經(jīng)遺失的星空。

撰文 | 聶俊丹（國家天文臺）

編輯 | 韓越揚金莊維

對于大眾來說，星空聽起來浪漫而又遙遠，摘星指月更是遙不可及。但是有了天文望遠鏡，天文學家就可以帶著你一起，去實現(xiàn)觀星探月的愿望。神秘的星空不僅能夠帶給我們無窮的想象，同時也為我們打開了宇宙奧秘的大門。正是人類對宇宙的好奇，不斷激勵著一代又一代仰望星空的人，腳踏實地地開展巡天項目——用望遠鏡來描繪星空畫卷，推動人類對宇宙認識的進步。

追溯到以往任何一個觀星項目，上至上世紀40年代初現(xiàn)規(guī)模的小視場巡天，下至不久剛公開的全天多波段Pan-STARRS1[1]巡天，任何一個圖像巡天的終極目標都是通過快速獲得未知星空的信息，解決天文學難題。

而我們今天要介紹的BASS巡天，是一個以中國為首開展的大面積光學圖像巡天項目。它旨在通過拍攝海量專業(yè)星空圖像來繪制百kpc范圍內(nèi)的宇宙（1kpc約為3261.564光年），讓我們對頭頂上的這片星空能有更遠、更透徹的認識。

BASS項目[2,3,4,5]的全稱是Beijing Arizona Sky Survey，是由國家天文臺BATC團組和亞利桑那大學Steward 天文臺合作開展的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，其中：g濾光片為3783-5549 ?，有效波長4776 ?，r濾光片為5680-7110?，有效波長6412 ?）。它利用美國亞利桑那州Kitt Peak觀測基地的BOK 2.3米望遠鏡，進行了四年的巡天（2015年1月-2019年2月），共完成了對北銀冠5200平方度天區(qū)的觀測。

到目前為止，BASS項目已經(jīng)釋放了包含3.5顆億恒星和星系的測量信息，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卷將會以海量真實圖片和星羅棋布的星表的形式呈現(xiàn)在你面前。

巧奪天工的國產(chǎn)大片

在介紹國產(chǎn)天文大片之前，我們先來梳理一下國際天文的“好萊塢”大片。在北銀冠，目前國際著名的大視場光學測光巡天有SDSS[6]和Pan-STARRS1。

對于天文專業(yè)人士來說，SDSS并不陌生。遠到類星體，近到近鄰宇宙和冷的矮星系，SDSS都提供了海量測光和光譜數(shù)據(jù)，并且產(chǎn)生了無數(shù)顯著的科研成果?？梢院敛恢t虛地說，SDSS是一個非常成功的光學巡天項目，它為我們認識近鄰宇宙做了非常大的貢獻。但是，SDSS開始于十幾年前，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星體。另外，對研究銀河系結構的天文學家來說，SDSS的探測深度只能探測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。Pan-STARRS1就是到目前為止巡天面積最大，巡天深度最深的一個光學多波段圖像巡天。它覆蓋北緯-30度以上的全部天區(qū)，占全天的3/4，并且有grizy 5個波段，比SDSS大概深1等左右。這個巡天項目可以說是個天文大工廠，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，而且它的z波段比SDSS還要淺。

在未來的LSST[7]問世之前，從SDSS到Pan-STARRS1，它們的探測深度都不能夠滿足天文學家對宇宙探索的更大需求。光學多波段大視場巡天在此斷層了。這個問題在北天顯得尤為突出，因為在南天有正在緊鑼密鼓進行和計劃的Skymapper[8]，KIDS[9]和LSST三個巡天項目。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，“國產(chǎn)大片”BASS項目是一個由國家天文臺主導，與美國亞利桑那大學合作開展的大視場多波段的深度巡天項目。它的巡天目標是利用Steward天文臺2.3米BOK望遠鏡的g和r濾光片觀測北銀冠靠北的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)科學要求，整個巡天天區(qū)被劃分為5194個天區(qū)，每個天區(qū)大約為1平方度左右，每個天區(qū)進行3次重復拍攝以求達到累計深度為24等的要求。這個巡天目標將使得BASS產(chǎn)生新一代的北銀冠圖像數(shù)據(jù)，成為當前北銀冠多波段深度巡天的領軍項目。

得天獨厚的北銀冠

所謂的北銀冠，是指在銀道坐標系統(tǒng)中以北銀極為起點，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）。當然，北銀冠這頂帽子的帽沿可長可短，只要避開星場密集的銀道面就可以了。這樣就可以讓巡天望遠鏡看到銀暈乃至銀河系外。

另外，北銀冠覆蓋了大部分的北天天區(qū)，地處北半球的望遠鏡都能觀測到（當然觀測面積大小受望遠鏡的地理位置而異），因此在眾多巡天項目中它都占據(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。橫坐標為赤經(jīng)，縱坐標為赤緯。圖中藍色區(qū)域為BASS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?；疑珬l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)的設計，一方面是受望遠鏡觀測能力的限制，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，有利于更多科學課題的開展。當然，BASS巡天也在配合未來的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，地處美國亞利桑那州圖桑市的沙漠地帶。無論是天文愛好者或是天文專業(yè)人員，對它都不會陌生，因為這里擁有世界著名的天文觀測基地。

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260多個，空氣寧靜，很適合進行天文觀測。在最初天文臺選址的時候，圖桑市只是一個小鎮(zhèn)子，遠離亞利桑那州的州府鳳凰城，燈光污染并不嚴重。與此同時，圖桑小鎮(zhèn)還能保證充足的物資供給，所以Kitt Peak才被被眾多天文機構所青睞。

從1958年開始，相繼有望遠鏡建造于此。從光學到射電，目前這里一共建造了20多架望遠鏡（圖3），成為了北半球最大的天文觀測基地。這些望遠鏡從白天到黑夜，周而復始地收集來自天空各個角落的信息，給我們帶來了許多重要的天文發(fā)現(xiàn)。

圖3. Kitt Peak觀測基地望遠鏡一覽圖。最近的為BOK 2.3米望遠鏡。（照片來自BASS觀測者周旭）

去過Kitt Peak觀測的人對當?shù)氐南扇苏埔欢ㄓ∠笊羁蹋菆D桑的地標植物。從市區(qū)驅車上山觀測，沿途威嚴聳立的仙人掌樹隨處可見（圖4），它們就如一個個對天文充滿崇敬的哨兵，守護著這些望遠鏡。

圖4. 圖桑市的仙人掌樹（照片來自BASS觀測者周志民）

BASS 巡天所用的BOK 2.3米望遠鏡就建造在Kitt Peak山上。它隸屬于亞利桑那大學的Steward天文臺。BOK望遠鏡建造于1967年，以曾經(jīng)的天文臺臺長Bart Bok先生的名字命名，是Steward天文臺在Kitt Peak山上最大的光學望遠鏡。它有3個終端設備，可以做測光也可以拍攝光譜。BASS的圖像巡天拍攝用的是這個望遠鏡的90Prime攝像儀。

BASS巡天能進行觀測的時間是每年1-7月，觀測者有來自世界和中國各地的天文學者、研究生和博士后，四年間總觀測人次數(shù)超過90人次。他們共同完成了精細刻畫北銀冠的神圣任務。

圖5. BOK望遠鏡圓頂內(nèi)景（照片來自BASS觀測者周旭）

“看天吃飯”

從2015年起，中國團隊在每年1-7月都會赴美觀測，每月觀測5-15天左右，四年共計375晚。天文觀測是一個靠天吃飯的行業(yè)，月色濃郁這些詩般美妙的詞語對觀測者來說如同噩夢。他們需要的是晴朗寧靜穩(wěn)定的夜。

圖6. Kitt Peak 夜間星空圖，最明顯的那條玉帶便是銀河。（照片來自BASS觀測者王永浩）

每天下午五六點鐘，趁著太陽還沒有落下，觀測者們就將進入圓頂進行各式各樣的觀測準備，例如：灌注液氮、拍攝用于校準圖像的本底（Bias）和圓頂平場（DomeFlat），并生成用于巡天觀測的全自動望遠鏡運行腳本。天氣好的情況下，一切準備就緒，等待昏影結束就可以開始每一日的觀測。

在望遠鏡進行巡天的過程中，觀測非常智能化，需要觀測者手動操作的東西并不多。觀測策略程序已經(jīng)根據(jù)恒星時和觀測天區(qū)生成好了操控望遠鏡的腳本，觀測者只需要監(jiān)視屏幕上的天氣狀況、望遠鏡指向、圖像質量等幾個數(shù)值，微調一下望遠鏡位置、焦距和曝光時間就可以了?？刂仆h鏡的觀測腳本會實時更新，保證高效高質量地進行巡天而不浪費寶貴的觀測時間。

圖7. BASS觀測操縱室實景（照片來自BASS觀測者李峰）

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

巡天團組從美國觀測回來后會及時對BASS數(shù)據(jù)進行精細處理，以求數(shù)據(jù)質量高精度化。

作為一個開創(chuàng)性的公開巡天項目，BASS巡天在數(shù)據(jù)所有權和使用權上秉承著對全世界完全開放的態(tài)度，不設數(shù)據(jù)保護期。這樣開放的態(tài)度也給了非專業(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，甚至都沒有時間沒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，你足不出戶就可以看到頭頂上的燦爛星空。

為了更方便服務于專業(yè)和非專業(yè)人士探索星空，國家天文臺虛擬天文臺和BATC團組共同為BASS開發(fā)了一套星空導航軟件——skyview[11]。有了g和r兩個波段，再加上美國MzLS[12]同期觀測的z波段，skyview復原了北天的真彩星空。在這里只需你隨便動動鼠標，就能看到漂亮的星團，各種形態(tài)的大星系，甚至可以看到銀河系的微小子結構（圖8）。在看星海的過程中，如果你想看下已知天體或是go to到你想到的坐標，你只需在頁面上輸入名稱或是坐標就能達你所愿。如果你看到某片漂亮星空想拿來做手機屏幕，ok，你隨意我“買單”，海量圖像隨意下載。