群星璀璨的国产大片，带你找到遗失的天空

群星璀璨的国产大片，带你找到遗失的天空 | 赛先生天文

2019/03/13

导读

BASS巡天邀你一起去看北银冠星海

BOK望远镜附近观测的银河系星轨图。前面的望远镜是BASS巡天用的BOK 2.3米望远镜，背景望远镜是DESI的MzLS图像巡天用的Mayall 4米望远镜。（照片来自BASS观测者李峰）

仰望星空，群星璀璨，浩瀚星辰，何以穷数？在我们的北天，你能看到一片由3.5亿颗恒星和星系组成的星海。3.5亿是什么概念？如此之多的星星在天上又是怎么分布的？今天我们要给大家介绍的这部天文国产大片就要为你揭晓答案，带你走进这片美丽的星海，找到北天曾经遗失的星空。

撰文 | 聂俊丹（国家天文台）

编辑 | 韩越扬金庄维

对于大众来说，星空听起来浪漫而又遥远，摘星指月更是遥不可及。但是有了天文望远镜，天文学家就可以带着你一起，去实现观星探月的愿望。神秘的星空不仅能够带给我们无穷的想象，同时也为我们打开了宇宙奥秘的大门。正是人类对宇宙的好奇，不断激励着一代又一代仰望星空的人，脚踏实地地开展巡天项目——用望远镜来描绘星空画卷，推动人类对宇宙认识的进步。

追溯到以往任何一个观星项目，上至上世纪40年代初现规模的小视场巡天，下至不久刚公开的全天多波段Pan-STARRS1[1]巡天，任何一个图像巡天的终极目标都是通过快速获得未知星空的信息，解决天文学难题。

而我们今天要介绍的BASS巡天，是一个以中国为首开展的大面积光学图像巡天项目。它旨在通过拍摄海量专业星空图像来绘制百kpc范围内的宇宙（1kpc约为3261.564光年），让我们对头顶上的这片星空能有更远、更透彻的认识。

BASS项目[2,3,4,5]的全称是Beijing Arizona Sky Survey，是由国家天文台BATC团组和亚利桑那大学Steward 天文台合作开展的g和r波段深度图像巡天（g,r为不同波段的巡天滤光片的代号，其中：g滤光片为3783-5549 Å，有效波长4776 Å，r滤光片为5680-7110Å，有效波长6412 Å）。它利用美国亚利桑那州Kitt Peak观测基地的BOK 2.3米望远镜，进行了四年的巡天（2015年1月-2019年2月），共完成了对北银冠5200平方度天区的观测。

到目前为止，BASS项目已经释放了包含3.5颗亿恒星和星系的测量信息，最终版本的星表将在2019年中旬释放。待到该星表释放后，5200平方度的完整星空画卷将会以海量真实图片和星罗棋布的星表的形式呈现在你面前。

巧夺天工的国产大片

在介绍国产天文大片之前，我们先来梳理一下国际天文的“好莱坞”大片。在北银冠，目前国际著名的大视场光学测光巡天有SDSS[6]和Pan-STARRS1。

对于天文专业人士来说，SDSS并不陌生。远到类星体，近到近邻宇宙和冷的矮星系，SDSS都提供了海量测光和光谱数据，并且产生了无数显著的科研成果。可以毫不谦虚地说，SDSS是一个非常成功的光学巡天项目，它为我们认识近邻宇宙做了非常大的贡献。但是，SDSS开始于十几年前，它的巡天深度只到22等，并且它的巡天模式敏感于低红移星系以及亮的类星体。另外，对研究银河系结构的天文学家来说，SDSS的探测深度只能探测到银晕比较浅的部分，而这部分却只是银晕的冰山一角。

继SDSS之后，大大小小的巡天有如雨后春笋般涌现出来。Pan-STARRS1就是到目前为止巡天面积最大，巡天深度最深的一个光学多波段图像巡天。它覆盖北纬-30度以上的全部天区，占全天的3/4，并且有grizy 5个波段，比SDSS大概深1等左右。这个巡天项目可以说是个天文大工厂，任何研究都可以在这里各取所需，大展拳脚。但Pan-STARRS1的局限在于它只比SDSS稍微深一点，而且它的z波段比SDSS还要浅。

在未来的LSST[7]问世之前，从SDSS到Pan-STARRS1，它们的探测深度都不能够满足天文学家对宇宙探索的更大需求。光学多波段大视场巡天在此断层了。这个问题在北天显得尤为突出，因为在南天有正在紧锣密鼓进行和计划的Skymapper[8]，KIDS[9]和LSST三个巡天项目。另外，只有更深的图像巡天才能和现有的光谱巡天数据匹配，做出更显著的科研成果。

而本文的主角，“国产大片”BASS项目是一个由国家天文台主导，与美国亚利桑那大学合作开展的大视场多波段的深度巡天项目。它的巡天目标是利用Steward天文台2.3米BOK望远镜的g和r滤光片观测北银冠靠北的5200平方度。天区面积覆盖了SDSS天区的一半，深度比SDSS深2-3个星等，可以看到大量SDSS遗失的那些恒星和星系。

图1. BASS和SDSS对比图。BASS比SDSS能看到更多暗的源。（图源：参考资料[4]）

根据科学要求，整个巡天天区被划分为5194个天区，每个天区大约为1平方度左右，每个天区进行3次重复拍摄以求达到累计深度为24等的要求。这个巡天目标将使得BASS产生新一代的北银冠图像数据，成为当前北银冠多波段深度巡天的领军项目。

得天独厚的北银冠

所谓的北银冠，是指在银道坐标系统中以北银极为起点，银道面为分界面，距离银道面一定纬度范围内的天区。由于它的外形酷似一顶帽子，故取名为北银冠（North Galactic Cap）。当然，北银冠这顶帽子的帽沿可长可短，只要避开星场密集的银道面就可以了。这样就可以让巡天望远镜看到银晕乃至银河系外。

另外，北银冠覆盖了大部分的北天天区，地处北半球的望远镜都能观测到（当然观测面积大小受望远镜的地理位置而异），因此在众多巡天项目中它都占据举足轻重的地位。SDSS和Pan-STARRS1的巡天范围都包括了北银冠。

图2. BASS巡天天区图。横坐标为赤经，纵坐标为赤纬。图中蓝色区域为BASS巡天天区，赤经范围从100到280度，赤纬范围从30到90度，覆盖了银纬18度以上北银冠靠北的5200平方度。灰色条块为SDSS巡天天区，红色为银道面。（图源：参考资料[3]）

BASS巡天天区的设计，一方面是受望远镜观测能力的限制，另外一方面是为了和其它已有的巡天，如SDSS，形成重叠和互补，有利于更多科学课题的开展。当然，BASS巡天也在配合未来的DESI[10]光谱巡天，为其提供更优秀的选源星表。

神圣的Kitt Peak山头

BASS巡天所在地是Kitt Peak，这里是印第安人的圣山，地处美国亚利桑那州图桑市的沙漠地带。无论是天文爱好者或是天文专业人员，对它都不会陌生，因为这里拥有世界著名的天文观测基地。

Kitt Peak海拔2096米，距离图桑市区88公里，常年干旱，属于沙漠地带，一年晴天数多达260多个，空气宁静，很适合进行天文观测。在最初天文台选址的时候，图桑市只是一个小镇子，远离亚利桑那州的州府凤凰城，灯光污染并不严重。与此同时，图桑小镇还能保证充足的物资供给，所以Kitt Peak才被被众多天文机构所青睐。

从1958年开始，相继有望远镜建造于此。从光学到射电，目前这里一共建造了20多架望远镜（图3），成为了北半球最大的天文观测基地。这些望远镜从白天到黑夜，周而复始地收集来自天空各个角落的信息，给我们带来了许多重要的天文发现。

图3. Kitt Peak观测基地望远镜一览图。最近的为BOK 2.3米望远镜。（照片来自BASS观测者周旭）

去过Kitt Peak观测的人对当地的仙人掌一定印象深刻，它是图桑的地标植物。从市区驱车上山观测，沿途威严耸立的仙人掌树随处可见（图4），它们就如一个个对天文充满崇敬的哨兵，守护着这些望远镜。

图4. 图桑市的仙人掌树（照片来自BASS观测者周志民）

BASS 巡天所用的BOK 2.3米望远镜就建造在Kitt Peak山上。它隶属于亚利桑那大学的Steward天文台。BOK望远镜建造于1967年，以曾经的天文台台长Bart Bok先生的名字命名，是Steward天文台在Kitt Peak山上最大的光学望远镜。它有3个终端设备，可以做测光也可以拍摄光谱。BASS的图像巡天拍摄用的是这个望远镜的90Prime摄像仪。

BASS巡天能进行观测的时间是每年1-7月，观测者有来自世界和中国各地的天文学者、研究生和博士后，四年间总观测人次数超过90人次。他们共同完成了精细刻画北银冠的神圣任务。

图5. BOK望远镜圆顶内景（照片来自BASS观测者周旭）

“看天吃饭”

从2015年起，中国团队在每年1-7月都会赴美观测，每月观测5-15天左右，四年共计375晚。天文观测是一个靠天吃饭的行业，月色浓郁这些诗般美妙的词语对观测者来说如同噩梦。他们需要的是晴朗宁静稳定的夜。

图6. Kitt Peak 夜间星空图，最明显的那条玉带便是银河。（照片来自BASS观测者王永浩）

每天下午五六点钟，趁着太阳还没有落下，观测者们就将进入圆顶进行各式各样的观测准备，例如：灌注液氮、拍摄用于校准图像的本底（Bias）和圆顶平场（DomeFlat），并生成用于巡天观测的全自动望远镜运行脚本。天气好的情况下，一切准备就绪，等待昏影结束就可以开始每一日的观测。

在望远镜进行巡天的过程中，观测非常智能化，需要观测者手动操作的东西并不多。观测策略程序已经根据恒星时和观测天区生成好了操控望远镜的脚本，观测者只需要监视屏幕上的天气状况、望远镜指向、图像质量等几个数值，微调一下望远镜位置、焦距和曝光时间就可以了。控制望远镜的观测脚本会实时更新，保证高效高质量地进行巡天而不浪费宝贵的观测时间。

图7. BASS观测操纵室实景（照片来自BASS观测者李峰）

但是天气往往变化多端。原计划2018年7月底完成所有天区观测，由于受厄尔尼诺现象的影响，巡天没有按时完成，推迟到了2019年2月才完成了全部天区的巡天。

巡天团组从美国观测回来后会及时对BASS数据进行精细处理，以求数据质量高精度化。

作为一个开创性的公开巡天项目，BASS巡天在数据所有权和使用权上秉承着对全世界完全开放的态度，不设数据保护期。这样开放的态度也给了非专业人士一些难得的福利。

找到遗失的天空

生活在城市里，你可能很少，甚至都没有时间没有空间抬头看下头顶上的这片璀璨星空。有的人甚至不知道银河在哪里。有了BASS，你足不出户就可以看到头顶上的灿烂星空。

为了更方便服务于专业和非专业人士探索星空，国家天文台虚拟天文台和BATC团组共同为BASS开发了一套星空导航软件——skyview[11]。有了g和r两个波段，再加上美国MzLS[12]同期观测的z波段，skyview复原了北天的真彩星空。在这里只需你随便动动鼠标，就能看到漂亮的星团，各种形态的大星系，甚至可以看到银河系的微小子结构（图8）。在看星海的过程中，如果你想看下已知天体或是go to到你想到的坐标，你只需在页面上输入名称或是坐标就能达你所愿。如果你看到某片漂亮星空想拿来做手机屏幕，ok，你随意我“买单”，海量图像随意下载。