從BATC到BASS 天文觀測巡天的那些事

　　利用天文望遠鏡描繪星空畫卷是天文學的一件浩瀚工程，它揭秘宇宙奧秘，引領人類進步。而天文巡天，正是這項偉大工程的最佳實現者，它通過拍攝海量星空圖片樸實而細致地為我們呈現神秘的宇宙。在中國，天文巡天也由來已久。今天就讓我們來聊聊光學天文巡天的那些歷史吧。

　　BATC的由來

　　天文學從本質上講是一門以觀測為基礎的科學，其發展在很大程度上依賴于對盡可能多的樣本進行盡可能多的觀測為基礎建立起來的統計規律。天文學的發展史實際就是一部巡天史。所謂“巡天”，就是對特定的目標天區或全部可見天區進行有目的的仔細巡查。這個看上去笨拙樸素的方法，恰恰是人類與宇宙對話的最佳途徑。

　　在中國，天文巡天也有著幾十年的歷史。在上世紀90年代，有著這么一支具有前瞻性天文科學團隊，他們率先在國內利用小望遠鏡開展了大樣本大尺度光學巡天。這個巡天就是歷時27載，取得了令世人瞻目的卓越成就的BATC巡天。

　　BATC大視場多色巡天是1992年由老一代天文學家等發起并組建的大視場、大樣本的高精度測光和低分辨光譜的巡天計劃。以當時的北京天文臺為主，參加單位有美國的亞利桑那大學、我國臺灣的中央大學天文研究所以及美國的康涅狄格大學。BATC就是由這四個單位的英語首字母連接而成。

　　其實這個巡天計劃可以追溯到 1985年，當時 CCD探測器在國際天文界剛使用不久，陳建生院士就提出要在北京天文臺（國家天文臺前身）的一臺基本閑置的 60/90厘米施密特望遠鏡上配備 CCD探測器。經過幾年充分調研，陳院士清醒地認識到國內投資建立項美國的 5米和 10米級望遠鏡是不現實的。因此充分利用現有設備，積極開展“大樣本、大尺度”巡天應該是我們“有所作為”的戰略方向。

圖1: 北京天文臺興隆觀測站

　　中國光學巡天的鼻祖

　　說干就干！經過認真的規劃，由陳建生院士帶領課題組的成員，對原北京天文臺興隆觀測基地的60/90厘米施密特望遠鏡進行了全面的技術改造，配備了大面積 CCD、15個中等帶寬濾光片和多種窄帶濾光片，覆蓋了整個光學波段，組成了極富創新特色的大視場、高精度、低分辨率的大樣本天體光譜巡天系統，當時在國際上這也是獨一無二的。

　　作為中國光學巡天的開拓者，BATC自正式觀測運作以來，開辟了從小行星、星團、星系、星系團、類星體到宇宙大尺度結構等一系列有特色的前沿研究領域，承擔了中國科學院重大項目和國家基金會重點研究項目，其中部分研究工作在國際上已取得令人矚目的成果。

圖2：北京天文臺60/90厘米施密特望遠鏡

　　緊隨國際天文熱點的步伐，BATC巡天計劃也在不斷適應新的環境和挑戰。在充分利用施密特望遠鏡大視場的特點的前提下，團組成員廣泛地與國內外天文學家合作，活躍在科研第一線，積極開展不同課題研究。每年研究人員帶領學生和觀測助手平均觀測值班 300天以上，有效觀測大于 200天。同時，BATC科研團組也積極進行儀器改造，服務于新的巡天任務。

圖3: BATC觀測系統及觀測運行

　　碩果累累的BATC巡天

　　基于BATC大視場多色測光系統和課題成員多年來的潛心觀測研究，該觀測團組利用施密特望遠鏡大視場的獨特優勢, 對各種特殊天體進行了大面積的搜尋工作，取得了一批重要的天文發現。他們還利用高精度多色測光的特點，在不同宇宙尺度的天體物理研究中取得了一批獨具特色的研究成果。目前，主要基于 BATC數據發表的科學論文已超過 100篇，超過 1000次的引用，包括《Nature review》和《Nature》的重要引用。從BATC巡天計劃開始到2004年，BATC巡天數據被世界著名的數據庫收錄。

　　下面歷數BATC的一些主要觀測研究成果：

　　發現大量的太陽系小行星和HH天體，顯著提高國際樣本數量

　　自1995年，課題組利用BATC系統獨特的觀測系統開展了小行星的發現和研究工作。項目組至今共發現了近3000顆獲得永久編號和命名權的小行星。觀測能力和發現數量在國際上名列前茅。至今，他們以著名的科學家、單位和具有特殊意義的地名對百余顆小行星進行了命名，得到了很好的社會效益。

　　他們發現的對地球有潛在威脅的我國第一顆近地小行星1997 BR，引起各國小行星觀測臺站和研究者的極大重視。1997BR在被發現后進行了大量的后繼觀測和研究，成為1997年被觀測次數最多的小行星，也是歷史上被觀測次數最多的暫定編號小行星之一。

圖4: BATC巡天發現并命名的麗江星(在視場中心)位置的變化

圖5: 麗江星軌道圖

　　由于HH天體與恒星形成活動間存在著直接和緊密的示蹤關系，對于了解大范圍星云中的恒星形成狀態具有非常重要的意義, 因此BATC巡天在國內率先開始了銀道面附近重要恒星形成區HH天體大尺度覆蓋性巡天工作，并發表了許多重要的學術論文。共發現40余個HH天體，將國際HH天體的總樣本擴大了10%。

圖6: HH天體的位置

　　測量了星系暈結構并發現了特殊環形結構

　　通過旋轉速度曲線是平直的觀測結果，可以推測盤星系存在大質量的暗物質暈。這對于研究星系結構演化和宇宙暗物質問題都具有極其重要的影響。BATC團組充分發揮BATC巡天望遠鏡獨有的大視場相機、特殊的中帶濾光片系統和精確的平場改正等獨特優勢，開展了對包括NGC5907在內的多個近鄰側向盤星系的深度面源測光研究，發現了特殊環形結構，取得了極其重要的科學成果，并在此領域產生了深遠的影響。

圖7: 側向星系周邊的環形結構

　　獲得了多個近鄰星系關鍵物理參數的二維分布

　　近鄰面向星系是研究星系不同星族成份性質及其演化過程的理想對象。BATC巡天獲得了多個近鄰星系的年齡、金屬豐度、恒星質量、恒星形成率和恒星形成歷史等諸多參數，從而分析星系不同星族成份及整個星系的形成和演化歷史。銀河系是一個典型的旋渦星系，對銀河系細致的研究是得到星系形成和演化最直接的證據。

　　BATC團組對銀河系恒星的結構和金屬豐度進行了細致的研究，得到了一系列重要成果。星系團是最大的引力束縛系統。對星系團的中成員星系的研究，可使我們獲得星系團的動力學結構和成員星系的物理特性及恒星形成歷史，最終解決宇宙的起源和演化。目前，BATC團組已經完成對30個近鄰星系團的15色測光觀測并對其中多個星系團進行過細致的研究，得到了一系列重要結果。

圖8: 漩渦星系M81的恒星平均年齡分布圖

　　發展全新的方法，用大樣本數據研究銀河系內外星團

　　星團是指由數十顆至幾百萬顆恒星組成的天體系統，是研究恒星演化和星系結構的載體。BATC巡天對多個銀河系的疏散星團進行了國際上唯一的15色測光。基于這些測光的譜能量分布結果，BATC團組發展了一套全新的方法來求解疏散星團的基本參數并判定星團內的成員星。我們還依托BATC巡天的測光數據，結合最新的星族合成模型，對3個近鄰面向星系內的星團進行了比較系統的研究，取得了一系列重要成果。

　　對劇烈天體的長期觀測研究

　　耀變體是光變最劇烈的一類活動星系，有很多極端的性質。BATC巡天對一批耀變體開展了7年的系統監測，在國際上首次提出了S5 0716+714中的復合光變機制、發現了OJ 287在光學波段的40天光變周期、首次探測到S5 0716+714的不同光學波段光變之間的時延現象等重要結果。同時他們對超新星開展了深入的搜尋巡天和天體物理研究工作，取得了一系列重要成果。

　　走向世界的BASS巡天

　　在BATC巡天的長期延續過程中，觀測研究的重點有過多次轉移。近年來的觀測重點為超新星搜巡和系外行星的監視工作。每年可發現超新星最多可到50顆以上，同時還對約70顆類木系外行星系統的掩食過程進行監測。在BATC發展的基礎上，課題組研究人員還積極地加入到郭守敬望遠鏡巡天計劃（LAMOST）、中國南極天文和反銀心巡天計劃。為LAMOST巡天計劃，BATC組還利用位于美國基特峰天文臺的亞利桑那大學的2.3米望遠鏡(BOK)開展了約5000平方度的u波段巡天SCUSS。

　　SCUSS曾是我國主導的最大面積的光學圖像巡天，也是國際上最深的大天區面積近紫外巡天項目。在該項目圓滿完成之后，BATC組研究人員又繼續利用該望遠鏡積極地投入暗能量光譜巡天（DESI）的國際合作中。

　　暗能量光譜巡天（DESI）是繼斯隆數字巡天（SDSS）之后的下一代宇宙學光譜巡天項目，計劃在2020開始5年內觀測比SDSS高一個數量級的星系光譜，從而研究宇宙膨脹歷史和宇宙結構增長。由國家天文臺BATC課題組承擔的北京—亞利桑那巡天（BASS）是為DESI提供光譜選源星表的三個圖像巡天之一，也是繼南銀冠u波段巡天（SCUSS）之后，國內主導的最大面積深度巡天。

　　北京——亞利桑那巡天（BASS）是中國科學院國家天文臺（NAOC）和亞利桑那大學（UA）之間的國際合作項目。它利用亞利桑那大學的2.3m Bok望遠鏡對北銀冠近5000平方度的區域進行兩個光學波段（g和r）的圖像觀測。點源深度（5σ, 銀河系消光改正）分別為g＝24.0和r=23.4等。

　　BASS結合DESI圖像巡天的另外兩個部分，MzLS， DECaLS，將為天文學家們提供14000平方度的深度測光巡天數據。結合已有到光譜和將來的DESI光譜，天文研究人員將開展銀河系暈結構、近鄰星系、星系團、高紅移類星體以及宇宙大尺度結構等方面的研究。同時，巡天數據將用于DESI的光譜目標選源。

　　BASS巡天觀測從2015年1月開始已經進行了3年的觀測。截止到2019年2月總共進行了大于一年觀測夜，完成了全部巡天任務。BASS項目組分別于2015年12月，2017年1月和12月完成了三次早期數據釋放（EDR，DR1和DR2）。2019年9月, 課題組人員完成了BASS數據的完整正式發表。作為一個天文巡天項目完成觀測得到原始數據只是工作的一小部分，而大量的時間和人力都用在數據處理工作上。

　　作為DESI圖像工作組的成員，BASS項目成員和其他成員協調合作，形成了統一的數據處理方法和數據發布方式。項目組成員的BASS數據質量獲得了國際同行的認可，并在全世界首次以無保護期（完全公開）的方式發布巡天數據產品。BASS巡天所公開的觀測數據，包括了原始圖像、處理的圖像和星表產品。

圖9: 參加BASS觀測的人員由BATC團組和各天文單位的研究人員和學生組成

圖10: BOK望遠鏡的觀測室

圖11: BASS觀測的實時監視網頁：http://batc./BASS/doku.php?id=observation:observation:facilitystatus

　　從1992年到現在，從BATC到BASS，該巡天團組在中國光學天文觀測巡天方面做出了重要貢獻，也積累了豐富的觀測和數據處理的經驗和能力。秉承著開展大視場巡天，精細刻畫宇宙的宗旨，該團組成員在將來的空間望遠鏡、中國12米望遠鏡、國內各科研院所和高校開展的中小望遠鏡的巡天項目中將積極參與，不遺余力地發揮天文巡天觀測的長處和作用。

圖12: BASS數據釋放網頁：http://batc./BASS/doku.php?id=datarelease:dr3:home

圖13: BASS＋ＭzLS數據的組成的5000平方度彩色星圖 http://skyview./

圖14: BASS觀測者在基特峰見證了387個觀測夜的日出日落和夜空

　　作者:周旭，系國家天文臺研究員、BATC團組首席。先后領導或參與了BATC大視場多色巡天、中國南極天文、南銀冠u波段巡天、北京－亞利桑那巡天等諸多研究項目；聶俊丹，國家天文臺副研究員。從事大視場巡天觀測，銀河系結構，變星雙星的研究。

[ 責編：蔡琳