FAST揭示的銀河星際氫原子氣體分布圖（速度區間-150 km/s到+150 km/s的累積）

國家天文台韓金林研究員領導的“王綬琯巡天突擊隊”

《中國科學：物理學 力學 天文學》專題封麵
（神秘的地球uux.cn）據EurekAlert!：近日，國家天文台韓金林研究員領導的“王綬琯巡天突擊隊”利用中國天眼（FAST）揭示了銀河係星際介質前所未見的細節。他們在搜尋銀河係內脈衝星的過程中，同步記錄了星際介質的譜線數據，揭示出銀河係中性氫氣體的精致結構和電離氣體的彌漫特征。他們還測量大量暗弱脈衝星的法拉第效應，顯現出銀河係內大範圍的磁場特征；新證認出兩例超新星爆炸的遺跡。這些研究結果對理解銀河係內的星際生態循環有重要意義。係列論文於2022年12月10日作為特別專題發表在我國的綜合國際期刊《中國科學：物理學 力學 天文學》（英文版，簡稱SCPMA）上。
璀璨群星聚集夜空，形成了一條橫亙蒼穹的銀河。作為人類在浩瀚宇宙中的家園，銀河係的結構和組成依然有很多謎團。銀河內千億恒星之間的廣袤星際空間並非虛無，而是充滿了稀薄的星際介質。其中彌漫分布的氫原子氣體輻射出頻率為1420 MHz的譜線；稠密氫原子匯聚冷卻，形成氫分子雲團，在高密度雲團核心中孕育出新一代恒星；新生的明亮恒星能電離周圍氣體。恒星由生到死、不斷演化，其中一些最終爆炸成為超新星，產生超新星遺跡和脈衝星。爆炸激波能壓縮星際空間的氣體，將電子加速到接近光速。這些高速電子在星際磁場中運動，輻射微弱的無線電波。銀河係星際介質隱藏了恒星生生死死的奧秘，一直是天文學家不斷探索的目標。
我國建造的500米口徑球麵射電望遠鏡（FAST）是目前世界上靈敏度最高的單口徑射電望遠鏡，因為配備了高靈敏度的L波段19波束製冷接收機，使它成為發現脈衝星、研究銀河係星際介質的利器。為發揚已故老科學家王綬琯院士的勇於探索的科學精神，國家天文台授旗韓金林領導的團組為“王綬琯巡天突擊隊”。他們2019年巧妙設計並啟動了銀道麵脈衝星快照（GPPS）巡天，至今不到三年時間，已發現500多顆脈衝星，亮度比之前的暗弱一個量級。他們在搜尋脈衝星的同時，順帶同步記錄了星際氣體輻射的譜線數據，兼具高靈敏度、高頻譜分辨率、高空間分辨率的特征，是研究銀河係結構和星際生態循環極其寶貴的資源。該團隊最近完成了第一批GPPS巡天譜線數據的處理，發布了銀河係星際空間原子氣體、電離氣體、磁場以及無線電輻射的最新研究結果。
在第一次數據釋放中，FAST探測了銀經33°至55°，銀緯±2°之間共88平方度天區的中性氫原子氣體的天空分布圖。雖然精細校準還在進行之中，初步結果已經是國際上迄今為止靈敏度最高的氫原子氣體探測，展示了氫原子氣體分布前所未有的細節特征，甚至探測到距離銀河係中心6萬光年之外、其他望遠鏡都看不清的小小雲團，為銀河係的氣體動力學研究和旋臂結構等前沿課題提供高質量觀測數據集。澳大利亞塔斯馬尼亞大學、美國明尼蘇達大學名譽教授John M. Dickey在新聞透視專欄寫道：“GPPS巡天譜線測量在角分辨率和靈敏度上的提高令人印象深刻”，“第一篇論文的發表是一個具有裏程碑意義的成就，值得慶祝和國際關注”。
星際空間電離氣體是銀河係中最後一個尚未深究的主要組分。該團隊處理了GPPS巡天順帶譜線數據中的氫原子複合線，得到了與氫原子同一天區銀河係星際空間的電離氣體的分布，揭示了由明亮恒星電離的高亮度區域和未知來源的彌漫氣體，結構相當豐富，為銀河係內氣體的生態循環和恒星形成研究提供了不可或缺的難得數據集。美國國家射電天文台Dana S. Balser 研究員在同期新聞透視專欄評論道，“這是迄今為止探測靈敏度最高的射電複合線巡天，因為具有足夠高的空間分辨率，可以將彌漫的電離氣體成分與HII區分辨開...對彌漫氣體而言，FAST這樣的大望遠鏡可以做最佳探測”。
銀河係星際介質中，磁場彌漫於整個星係，極難測量和研究。該團隊依靠FAST的靈敏度優勢，新測量了134顆銀暈暗弱脈衝星的偏振和法拉第效應，研究出銀暈磁場強度約為2微高斯。利用新測量的銀盤脈衝星的法拉第效應數據，還得到了銀河更遙遠區域內磁場方向反轉的證據。沒有FAST，很難開展如此大範圍的星際磁場探測。
作為FAST對星際無線電連續譜輻射特征的探測試驗，該團隊利用FAST對5°× 7°天區進行了掃描成像。結果確認了兩個大的暗弱無線電輻射結構（G203.1+6.6 和G206.7+5.9）是超新星爆炸產生的殼層遺跡，其中一個距離太陽很近，僅有約1400光年。到目前為止，人類已知的超新星遺跡僅僅隻有300多個。
專題主編上海交通大學景益鵬院士在編者按中表示：“高靈敏度FAST觀測揭示了銀河係前所未有的細節。所發表的中性氫和電離氫數據庫可以用於探索銀河係星際氣體的許多特征，為世界範圍內的天文學家提供寶貴的數據資源”。目前，韓金林研究員領導的“王綬琯巡天突擊隊”仍在努力巡測FAST可見的銀河區域，最終完成銀河2900平方度區域的高清探測，未來結果可期。
該研究主要由國家自然科學基金委員會基礎科學中心支持。