用这种平平无奇的气体，我们正在绘制“银河画卷”
以下文章来源于科学大院 ，作者孙燕 杨戟
在过去的10年中，中国的“银河画卷”用一台望远镜+40个人完成了第一期CO及其同位素的巡天。最近，“银河画卷”开始了第二期巡天，预计也将持续10年。
北银盘315平方度局部天区毫米波段CO/13CO/C18O分子辐射合成图像（上图）以及光学图像（下图）。图像分别源自“银河画卷”毫米波巡天和Pan-STARRS光学巡天。(图片来源：上图来自作者，下图来自Aladin sky Atlas)
那么巡天是什么？“银河画卷”究竟要做什么？本文以亲历者的身份带大家探个究竟吧。
巡天，其实就是“普查”工作
天文学是以观测发现为特点的学科，无目标盲巡天是一种对天空可扫描区域进行逐块无差别扫描的系统观测方式，就像是对天体进行“普查”，它是发现未知天体的一种基本方式，包容的数据和意外的发现，可以满足科学家的多样需求。巡天模式还利于实现望远镜的观测效率最大化，可谓是能够造福整个天文界的高效运行模式。
理论天体物理学家、原普林斯顿大学天文与物理系主任、副校长J. Ostriker教授，一语道破了巡天的重要性：“巡天之于天文，虽非重中之重，却也不可或缺。”
Surveys aren’t the most important thing in astronomy—they’re the only thing. —J. Ostriker
各个波段的巡天都已经历了一轮又一轮的“内卷”，卷完分辨率、卷灵敏度，卷完灵敏度，又卷天区范围，围绕那些巡天优劣的重要参数轮番地卷。毫米波亚毫米波（高频射电）天文学作为一个最年轻的波段，在其短短50年的发展历史中，其实也进行了多轮比拼。
萌芽时期：
星际CO的发现
CO是最强辐射的分子气体，作为星际分子中最普遍的一种分子，直到1970年才被威尔逊、杰菲茨和彭齐亚斯在猎户座中发现［1］，巧合的是第一和第三作者正是那两位因意外发现微波背景辐射而获得诺贝尔奖的工程师。CO的同位素分子13CO和C18O，也在1971年被他们发现［2］。
这三谱线组合可谓是揭示分子气体的温度和密度等物理性质，和化学性质的“黄金搭档”。从CO→13CO→C18O，分子丰度逐渐降低，发射范围逐步变小，谱线强度逐渐变弱。CO可以观测到集中了分子云大部分质量的外层云，同位素分子C18O可以观测到分子云内部更致密的区域，而同位素分子13CO介于二者之间。同时它们之间的丰度比，又可以反映出不同环境下伴随着恒星形成与演化的物质循环反馈［3］。这样的组合是其它谱线所望尘莫及的。
CO分子发现后，很多早期从事HI-21cm原子气体巡天的低频射电天文学家成了CO巡天的开拓者。世界上工作在3毫米波段（约110GHz）的望远镜也纷纷开展了大量的CO巡天观测，甚至很多望远镜或接收机系统从无到有，建成落地，就为了实现这一巡天目标。
CO巡天遍地开花的时代
1991和2015年两篇综述文章都全面总结了CO分子发现以来的银河系巡天项目［4，5］。看到图中的项目编号千万不要被吓晕，居然高达59个！敲黑板！划重点了！
图：截至2015年国际上已完成的CO巡天项目汇总［5］。长方形的长和宽分别示意银经和银纬覆盖范围，灰度示意灵敏度，红色：13CO巡天，黑色：12CO巡天。
（图片来源：参考文献5）
“开山鼻祖”（1970-1980）
美国国立射电天文台所属的口径为36英尺（约11米）的毫米波望远镜(简称NRAO-11m)，是发现CO分子的也是第一个开展CO巡天的望远镜，1970-1980年期间它在CO巡天领域几乎是一枝独秀。用其开展的巡天多达十个（编号1-6、8-10、16），虽然巡天规模在当今看来充其量算个“迷你简化版”巡天，数据质量也略显粗糙，但却极具开拓性。人们对于银河系内盘分子气体分布、旋转曲线和CO同位素丰度比的最初认识都是基于这些巡天。
“两架马车”并跑的时代（1980-2010）
随着1975年前后，哈佛史密松天体物理中心所属的分别位于南北半球的1.2米双胞胎毫米波望远（简称CfA-1.2m）镜以及美国五大学天文台所属的14米毫米波望远镜（简称FCRAO-14m）的建成投入使用，在这两架马车的拉动下，CO巡天驶入了“高速公路”。
利用CfA-1.2m望远镜开展了十余个巡天项目，如果将这些所有巡天拼接起来巡天几乎覆盖了银道面银经l = -180°~+180°, 银纬±35°（编号48），天空覆盖率大（20%）成了其最大的优点。因此为我们研究银河系大尺度结构，提供了重要的观测资料。然而由于其空间分辨率低，对于云样本的检测仍存在很大的偏差，那些质量或角尺度小的云都不能被很好的检测到。
利用FCRAO-14m望远镜开展的巡天项目有7个，其中最具有影响力的是Mass-SB（编号20），OGS（编号41）和GRS（编号53）。由于口径较1.2米提高了10倍，这些巡天获得了更好的空间分辨率和灵敏度，然而空间覆盖却变得很小。
值得一提的是，OGS和GRS巡天采用了升级的多像元焦平面阵列接收机系统，观测效率提高了，巡天的灵敏度和采样完备性比Mass-SB巡天显著提升。利用这些巡天数据拥有更高的空间分辨率和灵敏度的优点，在对银河系分子云内部的密度和速度结构研究方面取得了重要进展。但其空间覆盖范围小也限制了它在银河系气体盘结构研究方面的贡献。
别忘记还有它们
除了这两架马车，在这一时期还有一些重要的望远镜也是当时CO巡天的主力军，包括美国贝尔实验室的7m口径的（简称Bell-7m），日本名古屋大学南天4m口径的毫米波射电望远镜（简称NANTEN-4m），它们分别在揭示银河系中心区域的大尺度结构，银河系超级泡的分布方面都取得了成果。
中国的CO巡天，“好饭不怕晚”
看到这里读者可能已经满腹疑问了，已经深挖了40年CO巡天的历史，进入二十一世纪了怎么也还没看到咱国家的身影，难道咱没有可以观测CO的望远镜吗？又或是别个望远镜已经巡完了，我们的已毫无用武之地了吗？
技术的门槛高，是难以获得参赛资格的一个主要原因。我国位于青藏高原柴达木盆地海拔三千多米戈壁深处的13.7米毫米波望远镜于1990年初步建成，但望远镜后端的3mm波段半导体接收机直到1996年才通过了工程验收。从那时起，它才开始工作在毫米波段。它是我国唯一能够观测CO的望远镜，在国际上同频段的望远镜中属于中等口径。但是在2010年之前它仍处于单波束接收机的时代，视场太小是其无法开展巡天的一大制约。在单波束接收时代无偏大天区巡天几乎是小口径望远镜的独门绝技。
另一个现实是以往的巡天远不够完美，还存在明显的“偏科”问题，要么分辨率和灵敏度不够高，要么天区覆盖范围不够广，而且CO、13CO和C18O三谱线组合的巡天还是空白。而这三谱线组合恰恰又是示踪分子气体性质的黄金搭档。临渊羡鱼不如退而结网，没搭上前几轮CO巡天列车的，纷纷摩拳擦掌蓄势待发。
趁着中国经济和科技高速发展的东风，中国在这个领域也开始崭露头角。
卷出新高度：
同时接收多分子谱线的巡天
图：璀璨星空银河下的青海观测站13.7米毫米波望远镜
（照片来源：骑驴到西藏）
“工欲善其事，必先利其器”。2010年底我国成功自主研发了9波束边带分离型超导成像频谱仪并成功运用到13.7米毫米波望远镜［6］，这一提升把以往一只眼拓展到9只眼睛同时观测星空，视场提高9倍；边带分离技术加上巧妙的中频设置，使得CO，13CO和C18O这三条在频率上相差高达6GHz的谱线能够被1GHz带宽的频谱仪同时接收到。另外快速扫描观测模式的应用也使望远镜的观测效率大大提高，总体上这些升级使得观测效率比以往提高了近60倍。正是这些不断提升的技术赋予了13.7米远镜大天区快速巡天的崭新能力。新的多谱线组合也让其拥有了以不同寻常的方式来探查星际空间分子气体的大尺度分布和性质的能力。
“银河画卷”巡天（MWISP）项目I期于2011年9月正式启动，对北银道面可观测天区银纬±5°范围约2400平方度的天区进行CO、13CO和C18O无偏盲巡。历经10年约40人特别是13.7米望远镜运行人员夜以继日地努力，一副炫美的银河彩图终于绘制完成！
至此，毫米波彩色图像时代的全面到来让CO巡天又迈上了一个新的台阶，美貌与智慧并存，不明显偏科的巡天数据库已然建立。
时光将倒流回“黑白电视”时代↓↓↓
图：“银河画卷”获得的银河彩图局部图－对典型巨分子云复合体W3获得的彩图（约2.5deg2）。
(图片来源：作者；数据分别来自银河画卷，以及OGS和CfA1.2米巡天公开释放的档案数据)
所谓英雄所见略同，国际上澳大利亚的Mopra-22m口径和日本国立射电天文台野边山观测站的 NRO-45m毫米波望远镜紧随其后，于2013年前后也都相继加入了CO三谱线巡天阵营。
CO巡天哪家强？
找准定位很重要，对人生如此，对巡天亦是如此！只有认清楚了这些，才能更好的扬长同时又避短或补短，更好地挖掘数据的科学价值。为了弄清楚这些问题，我们把银河画卷与国际上最具有影响力的10个巡天放在一起比较。
灵敏度是归算到12CO频率和相同的频谱分辨本领下单位面积的灵敏度，圆越大表示灵敏度越高。
左图：空间分辨率与空间覆盖率；右图：速度分辨率与速度覆盖范围；单位面积的灵敏度用圆的大小示意，越大表示灵敏度越高。十字标注的是空间上不完全采样的巡天。（图片来源：作者）
各个巡天的特色已跃然纸上，毫无疑问CfA-1.2m巡天最大的优势是天区覆盖大；NRO-45m望远镜的FUGIN巡天最大的优势是空间分辨率高；
而“银河画卷”巡天各方面表现比较均衡，拥有可圈可点的优势和特色：
高灵敏度
多谱线探针
大天区完整取样
高频谱分辨率和宽速度覆盖范围
终点亦是新起点
在新一轮的比拼中，MWISP数据质量更胜一筹，各方面表现都不错。利用该巡天前期积累阶段的数据已经取得了系列的科学发现。从银河系一段迄今距离银心最远旋臂结构的发现到银河系分子厚盘性质的揭示，从完备分子云样本的建立到分子云物理化学性质统计规律的发现，从大规模分子内/外向流候选体的证认到分子云与HII区，SNR相互作用证据的搜寻，这些新的结果正在改变我们对银河系大尺度结构和星际分子云的认知。可以期待，从MWISP数据后续更系统地分析中将获得更多的发现。
那么巡天之路，是否卷到了尽头，是时候躺平了？当然不是，巡天在众多方面仍然有提高的空间。
虽然随着MWISP灵敏度的提高，其检测到的总流量已有显著提升（达到CfA1.2m望远镜CO巡天和FCRAO-14m望远镜OGS巡天的1.6倍），但是通过外推插值粗略地自估，MWISP在当前的灵敏度下流量探测完备率平均来看也仅58%，仍然有漏网之鱼。而且流量丢失的程度随着距离的增大迅速增大。例如，在银盘边缘的外盾牌－半人马臂（OSC）上，MWISP与OGS和CfA巡天所探测到的流量的比值分别达到7.4和43.8， MWISP在该旋臂段的流量完备性也只有32%[7]。由此不难理解，当前的巡天对银河系的探测能力还相当局限。
图：Planck卫星得到的CO连续谱辐射［8］，实线和虚线示意了“银河画卷”I期和II期巡天的范围。（图片来源：文献8）
此外，“银河画卷”I期天区覆盖银纬±5°，仍非常有限。为了窥探更广袤的银河系，覆盖更广天区，银纬±10°的“银河画卷”II期巡天应运而生，并于2021年9月1日启动。
新的梦想已经起航，可以预期下一个十年CO分子谱线巡天将更上一层楼。但即便如此，这些巡天范围也仅是天空中很小一部分，更多需要仔细巡视的区域，如我们耳熟能详的猎户座、金牛座、蛇夫座…就目前的技术现状，仍无法有效覆盖，还远在巡视范围之外。
科学追求无止境，技术需求亦无止境，巡天总在路上，更大天区覆盖范围、更高灵敏度、更高分辨率、更高效……是巡天亘古不变的追求。
参考文献：
[1] Wilson, R. W., Jefferts, K. B., Penzias, A. A., 1970, ApJL, 161, 43
[2] Penzias, A. A., Jefferts, K. B., Wilson, R. W., 1971, ApJ, 165, 229
[3]天体物理中的微波谱线诊断，曾琴, 毛瑞青, 裴春传编著, 中国科学技术出版
[4] Combes, F. 1991, ARA&A, 29, 195
[5] Heyer, M., & Dame, T. M., 2015, ARA&A, 53, 583
[6]Shan, W. L., Yang, J., Shi, S. C., et al. 2012, ITTST, 2, 593
[7] Sun, Y., Yang, J., Yan, Q.-Z. et al. 2021, ApJS, 256, 32
[8] Planck Collaboration, 2014, A&A, 571, A13
作者介绍
孙燕 副研究员， 中国科学院青年创新促进会会员， “银河画卷”巡天骨干成员
杨戟 研究员 ，“银河画卷”巡天总负责人
