利用天文望遠(yuǎn)鏡描繪星空畫卷是天文學(xué)的一件浩瀚工程，它揭秘宇宙奧秘，引領(lǐng)人類進(jìn)步。而天文巡天，正是這項偉大工程的最佳實現(xiàn)者，它通過拍攝海量星空圖片樸實而細(xì)致地為我們呈現(xiàn)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(xué)天文巡天的那些歷史吧。

　　BATC的由來

　　天文學(xué)從本質(zhì)上講是一門以觀測為基礎(chǔ)的科學(xué)，其發(fā)展在很大程度上依賴于對盡可能多的樣本進(jìn)行盡可能多的觀測為基礎(chǔ)建立起來的統(tǒng)計規(guī)律。天文學(xué)的發(fā)展史實際就是一部巡天史。所謂“巡天”，就是對特定的目標(biāo)天區(qū)或全部可見天區(qū)進(jìn)行有目的的仔細(xì)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(jì)90年代，有著這么一支具有前瞻性天文科學(xué)團(tuán)隊，他們率先在國內(nèi)利用小望遠(yuǎn)鏡開展了大樣本大尺度光學(xué)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(xué)家等發(fā)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(dāng)時的北京天文臺為主，參加單位有美國的亞利桑那大學(xué)、我國臺灣的中央大學(xué)天文研究所以及美國的康涅狄格大學(xué)。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(dāng)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(yuǎn)鏡上配備 CCD探測器。經(jīng)過幾年充分調(diào)研，陳院士清醒地認(rèn)識到國內(nèi)投資建立項美國的 5米和 10米級望遠(yuǎn)鏡是不現(xiàn)實的。因此充分利用現(xiàn)有設(shè)備，積極開展“大樣本、大尺度”巡天應(yīng)該是我們“有所作為”的戰(zhàn)略方向。

圖1: 北京天文臺興隆觀測站

　　中國光學(xué)巡天的鼻祖

　　說干就干！經(jīng)過認(rèn)真的規(guī)劃，由陳建生院士帶領(lǐng)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(yuǎn)鏡進(jìn)行了全面的技術(shù)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(xué)波段，組成了極富創(chuàng)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(tǒng)，當(dāng)時在國際上這也是獨一無二的。

　　作為中國光學(xué)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(tuán)、星系、星系團(tuán)、類星體到宇宙大尺度結(jié)構(gòu)等一系列有特色的前沿研究領(lǐng)域，承擔(dān)了中國科學(xué)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(yuǎn)鏡

　　緊隨國際天文熱點的步伐，BATC巡天計劃也在不斷適應(yīng)新的環(huán)境和挑戰(zhàn)。在充分利用施密特望遠(yuǎn)鏡大視場的特點的前提下，團(tuán)組成員廣泛地與國內(nèi)外天文學(xué)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(lǐng)學(xué)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(tuán)組也積極進(jìn)行儀器改造，服務(wù)于新的巡天任務(wù)。

圖3: BATC觀測系統(tǒng)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(tǒng)和課題成員多年來的潛心觀測研究，該觀測團(tuán)組利用施密特望遠(yuǎn)鏡大視場的獨特優(yōu)勢, 對各種特殊天體進(jìn)行了大面積的搜尋工作，取得了一批重要的天文發(fā)現(xiàn)。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(shù)據(jù)發(fā)表的科學(xué)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(shù)據(jù)被世界著名的數(shù)據(jù)庫收錄。

　　下面歷數(shù)BATC的一些主要觀測研究成果：

　　發(fā)現(xiàn)大量的太陽系小行星和HH天體，顯著提高國際樣本數(shù)量

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

　　他們發(fā)現(xiàn)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(fā)現(xiàn)后進(jìn)行了大量的后繼觀測和研究，成為1997年被觀測次數(shù)最多的小行星，也是歷史上被觀測次數(shù)最多的暫定編號小行星之一。

圖4: BATC巡天發(fā)現(xiàn)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(guān)系，對于了解大范圍星云中的恒星形成狀態(tài)具有非常重要的意義, 因此BATC巡天在國內(nèi)率先開始了銀道面附近重要恒星形成區(qū)HH天體大尺度覆蓋性巡天工作，并發(fā)表了許多重要的學(xué)術(shù)論文。共發(fā)現(xiàn)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(jié)構(gòu)并發(fā)現(xiàn)了特殊環(huán)形結(jié)構(gòu)

　　通過旋轉(zhuǎn)速度曲線是平直的觀測結(jié)果，可以推測盤星系存在大質(zhì)量的暗物質(zhì)暈。這對于研究星系結(jié)構(gòu)演化和宇宙暗物質(zhì)問題都具有極其重要的影響。BATC團(tuán)組充分發(fā)揮BATC巡天望遠(yuǎn)鏡獨有的大視場相機、特殊的中帶濾光片系統(tǒng)和精確的平場改正等獨特優(yōu)勢，開展了對包括NGC5907在內(nèi)的多個近鄰側(cè)向盤星系的深度面源測光研究，發(fā)現(xiàn)了特殊環(huán)形結(jié)構(gòu)，取得了極其重要的科學(xué)成果，并在此領(lǐng)域產(chǎn)生了深遠(yuǎn)的影響。

圖7: 側(cè)向星系周邊的環(huán)形結(jié)構(gòu)

　　獲得了多個近鄰星系關(guān)鍵物理參數(shù)的二維分布

　　近鄰面向星系是研究星系不同星族成份性質(zhì)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(zhì)量、恒星形成率和恒星形成歷史等諸多參數(shù)，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(xì)致的研究是得到星系形成和演化最直接的證據(jù)。

　　BATC團(tuán)組對銀河系恒星的結(jié)構(gòu)和金屬豐度進(jìn)行了細(xì)致的研究，得到了一系列重要成果。星系團(tuán)是最大的引力束縛系統(tǒng)。對星系團(tuán)的中成員星系的研究，可使我們獲得星系團(tuán)的動力學(xué)結(jié)構(gòu)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(tuán)組已經(jīng)完成對30個近鄰星系團(tuán)的15色測光觀測并對其中多個星系團(tuán)進(jìn)行過細(xì)致的研究，得到了一系列重要結(jié)果。

圖8: 漩渦星系M81的恒星平均年齡分布圖

　　發(fā)展全新的方法，用大樣本數(shù)據(jù)研究銀河系內(nèi)外星團(tuán)

　　星團(tuán)是指由數(shù)十顆至幾百萬顆恒星組成的天體系統(tǒng)，是研究恒星演化和星系結(jié)構(gòu)的載體。BATC巡天對多個銀河系的疏散星團(tuán)進(jìn)行了國際上唯一的15色測光?；谶@些測光的譜能量分布結(jié)果，BATC團(tuán)組發(fā)展了一套全新的方法來求解疏散星團(tuán)的基本參數(shù)并判定星團(tuán)內(nèi)的成員星。我們還依托BATC巡天的測光數(shù)據(jù)，結(jié)合最新的星族合成模型，對3個近鄰面向星系內(nèi)的星團(tuán)進(jìn)行了比較系統(tǒng)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(zhì)。BATC巡天對一批耀變體開展了7年的系統(tǒng)監(jiān)測，在國際上首次提出了S5 0716+714中的復(fù)合光變機制、發(fā)現(xiàn)了OJ 287在光學(xué)波段的40天光變周期、首次探測到S5 0716+714的不同光學(xué)波段光變之間的時延現(xiàn)象等重要結(jié)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(xù)過程中，觀測研究的重點有過多次轉(zhuǎn)移。近年來的觀測重點為超新星搜巡和系外行星的監(jiān)視工作。每年可發(fā)現(xiàn)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(tǒng)的掩食過程進(jìn)行監(jiān)測。在BATC發(fā)展的基礎(chǔ)上，課題組研究人員還積極地加入到郭守敬望遠(yuǎn)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(xué)的2.3米望遠(yuǎn)鏡(BOK)開展了約5000平方度的u波段巡天SCUSS。

　　SCUSS曾是我國主導(dǎo)的最大面積的光學(xué)圖像巡天，也是國際上最深的大天區(qū)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(xù)利用該望遠(yuǎn)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(shù)字巡天（SDSS）之后的下一代宇宙學(xué)光譜巡天項目，計劃在2020開始5年內(nèi)觀測比SDSS高一個數(shù)量級的星系光譜，從而研究宇宙膨脹歷史和宇宙結(jié)構(gòu)增長。由國家天文臺BATC課題組承擔(dān)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(nèi)主導(dǎo)的最大面積深度巡天。

　　北京——亞利桑那巡天（BASS）是中國科學(xué)院國家天文臺（NAOC）和亞利桑那大學(xué)（UA）之間的國際合作項目。它利用亞利桑那大學(xué)的2.3m Bok望遠(yuǎn)鏡對北銀冠近5000平方度的區(qū)域進(jìn)行兩個光學(xué)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(jié)合DESI圖像巡天的另外兩個部分，MzLS， DECaLS，將為天文學(xué)家們提供14000平方度的深度測光巡天數(shù)據(jù)。結(jié)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(jié)構(gòu)、近鄰星系、星系團(tuán)、高紅移類星體以及宇宙大尺度結(jié)構(gòu)等方面的研究。同時，巡天數(shù)據(jù)將用于DESI的光譜目標(biāo)選源。

　　BASS巡天觀測從2015年1月開始已經(jīng)進(jìn)行了3年的觀測。截止到2019年2月總共進(jìn)行了大于一年觀測夜，完成了全部巡天任務(wù)。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(shù)據(jù)釋放（EDR，DR1和DR2）。2019年9月, 課題組人員完成了BASS數(shù)據(jù)的完整正式發(fā)表。作為一個天文巡天項目完成觀測得到原始數(shù)據(jù)只是工作的一小部分，而大量的時間和人力都用在數(shù)據(jù)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(xié)調(diào)合作，形成了統(tǒng)一的數(shù)據(jù)處理方法和數(shù)據(jù)發(fā)布方式。項目組成員的BASS數(shù)據(jù)質(zhì)量獲得了國際同行的認(rèn)可，并在全世界首次以無保護(hù)期（完全公開）的方式發(fā)布巡天數(shù)據(jù)產(chǎn)品。BASS巡天所公開的觀測數(shù)據(jù)，包括了原始圖像、處理的圖像和星表產(chǎn)品。

圖9: 參加BASS觀測的人員由BATC團(tuán)組和各天文單位的研究人員和學(xué)生組成

圖10: BOK望遠(yuǎn)鏡的觀測室

圖11: BASS觀測的實時監(jiān)視網(wǎng)頁：http://batc./BASS/doku.php?id=observation:observation:facilitystatus

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

圖12: BASS數(shù)據(jù)釋放網(wǎng)頁：http://batc./BASS/doku.php?id=datarelease:dr3:home

圖13: BASS＋ＭzLS數(shù)據(jù)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(tuán)組首席。先后領(lǐng)導(dǎo)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(jié)構(gòu)，變星雙星的研究。

[ 責(zé)編：蔡琳