2011～2017年“銀河畫卷”巡天數(shù)據(jù)集

逯登榮，孫繼先，楊哲睿，劉梁*，楊戟*

1.中國科學(xué)院紫金山天文臺青海站，青海德令哈 817000

2.中國科學(xué)院紫金山天文臺，南京 210008

數(shù)據(jù)庫（集）基本信息簡介

引 言

分子氣體是宇宙中重要的成分。研究表明，雖然銀河系中分子氣體的質(zhì)量約占重子物質(zhì)質(zhì)量的1%。但由于它是恒星形成的場所，是宇宙中物質(zhì)循環(huán)的重要介質(zhì)，在銀河系乃至整個宇宙的演化中起著非常關(guān)鍵的作用。因此了解分子氣體的性質(zhì)，如結(jié)構(gòu)、分布、運動等，對研究宇宙起源以及星系起源和演化都至關(guān)重要。

CO分子巡天觀測是對銀河系分子氣體進行普查最有效的手段。利用CO分子的觀測可以比較準(zhǔn)確地了解銀河系分子氣體的分布情況。13.7米望遠(yuǎn)鏡在“多波束接收機+飛行觀測模式 on the fly（簡稱 OTF）”觀測模式的基礎(chǔ)上對此進行了12CO(J=1-0)、13CO(J=1-0)和C18O(J=1-0)三條同位素的巡天觀測——“銀河畫卷”計劃。該計劃就是借助其多譜線探測能力、適度高的空間分辨率、完整的空間覆蓋以及大的天區(qū)面積等幾方面的探測能力優(yōu)勢，使得我們獲得系統(tǒng)的科學(xué)發(fā)現(xiàn)及全新的知識成為可能。

1 數(shù)據(jù)采集和處理方法

本數(shù)據(jù)集依托于目前世界上同口徑中最先進的、我國唯一的一架工作在毫米波波段的天文觀測設(shè)備。2010年在該望遠(yuǎn)鏡上安裝了國家重大科研裝備“超導(dǎo)成像頻譜儀”并在國內(nèi)首次自行研制應(yīng)用OTF觀測模式，對整個銀河系平面±5度范圍內(nèi)的CO同位素三條分子譜線開始大尺度巡天觀測，到目前為止已經(jīng)觀測完成約1 250平方度的巡天工作。本數(shù)據(jù)集包括2011年開始到2017年所有觀測的CO同位素三條分子譜線數(shù)據(jù)。

13.7米望遠(yuǎn)鏡在分子譜線觀測中，采用標(biāo)準(zhǔn)的斬波輪校準(zhǔn)方法，得到的溫標(biāo)是修正了大氣吸收及歐姆損耗后的“天線溫度”，也就是文獻[1]中的TA*。對于星際分子云展源，通常這個溫標(biāo)要進一步改正望遠(yuǎn)鏡的主波束效率ηmb，得到與同類望遠(yuǎn)鏡可比的“觀測輻射溫度”，即 TR*。這個溫標(biāo)代表望遠(yuǎn)鏡的理想主波束與源空間亮溫度分布的卷積。本數(shù)據(jù)集中已經(jīng)對原始數(shù)據(jù)按照的關(guān)系進行了波束效率改正。其中ηmb用物理意義更加清楚的、由von Hoerner-Wong提出的天線面板結(jié)構(gòu)誤差效率公式（1）[2]，對不同天線俯仰處測試的天線主波束效率進行擬合的結(jié)果。

其中，A為天線主波束效率，el為天線俯仰角，el0為天線俯仰值為52度，hz為天線面板在天頂方向的結(jié)構(gòu)誤差，hh為天線面板在地平方向的結(jié)構(gòu)誤差。

2 數(shù)據(jù)樣本描述

本數(shù)據(jù)包括 bur文件和 fits文件[3-5]兩種格式。bur文件只能用 IRAM 軟件組開發(fā)的Gildas/CLASS軟件包[6]讀取，并處理、分析作進一步的研究。本數(shù)據(jù)集中 bur文件以source_MMddhhmmU[L].bur形式命名存儲，其中source為觀測目標(biāo)的名稱，MM、dd、hh、mm分別為觀測時的月、日、時、分，U [L]代表上[下]邊帶觀測的結(jié)果，如對源名為0845+025的目標(biāo)在 12月 31日 19:23開始進行了觀測，則對應(yīng)的文件名被命名為0845+025_12311923U.bur和0845+025_12311923L.bur。一般情況下，同一個目標(biāo)，不同時間觀測的文件有2～3組，也有更多組的情況，這主要是為了提高觀測區(qū)域數(shù)據(jù)的信噪比。

fits文件是將觀測的所有同一源名的bur文件處理、疊加合并后生成的具有國際統(tǒng)一格式的數(shù)據(jù)文件，表1為頭文件信息。該格式文件是國際通用的，可以使用有更多數(shù)據(jù)處理軟件對此進行處理、分析。fits格式的文件命名為sourceU[L][L2].fits，其中source為觀測目標(biāo)的名稱，U[L][L2]分別代表12CO(J=1-0)、13CO(J=1-0)和C18O(J=1-0)的觀測數(shù)據(jù)，每個文件大小為514 MB。12CO(J=1-0)對應(yīng)的fits文件由觀測到的所有source_MmddhhmmU.bur文件處理合并得到的，而13CO(J=1-0)和 C18O(J=1-0)對應(yīng)的 fits文件由所有source_MmddhhmmL.bur文件處理合并得到的。

以觀測目標(biāo)0845+025為例，從圖1看到在4月5日13:30、12月30日19:26和12月31日19:23三天中對源0845+025進行了觀測，上邊帶和下邊帶各有3個文件，共計得到了6個bur文件。把這6個文件按照上下邊帶分別處理、合并后生產(chǎn)了對應(yīng)的3個fits文件，即0845+025U.fits、0845+025L.fits和0845+025L2.fits，它們分別對應(yīng)12CO(J=1-0)、13CO(J=1-0)和C18O(J=1-0)三條CO同位素分子譜線。

圖1 0845+025對應(yīng)的bur文件

參數(shù)名稱 參數(shù)值 單位 注釋CROTA3 0.00E+00 CTYPE4 CRVAL4 1.00E+00 CDELT4 1.00E+00 CRPIX4 1.00E+00 CROTA4 0.00E+00 OBJECT 0855+050 目標(biāo)名GLAT 8.55E+01 度 銀經(jīng)參考位置GLON 5.00E+00 度 銀緯參考位置EQUINOX 0.00E+00 歷元LINE 12CO(1-0) 譜線類型ALTRVAL 0.00E+00 ALTRPIX 9.00E+03 RESTFREQ 1.15E+11 Hz 譜線頻率VELREF 0.00E+00 m/s 參考速度BMAJ 1.52E-02 BMIN 1.52E-02 BPA 0.00E+00 ORIGIN GILDAS Consortium DATE 2012-12-03 寫FITS的時間END 結(jié)束標(biāo)示

3 數(shù)據(jù)質(zhì)量控制和評估

針對譜線個別通道數(shù)據(jù)異常、譜線基線不平整、干擾信號等問題，我們采取了一系列的算法及措施，以保證數(shù)據(jù)質(zhì)量。對于壞的固定通道，用前后相鄰的2～3個通道值的平均來代替該固定通道的值。對于隨機出現(xiàn)的壞通道，如某個通道值大于300 K或小于-300 K，或某個通道比前后的通道都大于50 K或都小于50 K，用旁邊通道的值替換該通道的值。程序代碼如下：

在觀測過程中，有時出現(xiàn)個別數(shù)據(jù)基線不平或者噪聲偏大的數(shù)據(jù)（圖 2），對此我們會和理論公式（2）計算的rms進行比較，當(dāng)噪聲大于理論值時，該譜線數(shù)據(jù)將會被剔除。

其中，Tsys為望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)噪聲溫度，單位開爾文(K)，t是譜線觀測時單次積分時間，單位秒(s)。

圖2 基線不平或者噪聲偏大的數(shù)據(jù)

計算機通過以上步驟自動判斷剔除的基礎(chǔ)上，還安排了專門的人員，對計算機運行處理后的數(shù)據(jù)結(jié)果進一步進行確認(rèn)、查看，保證最后入庫數(shù)據(jù)的噪聲滿足12CO(J=1-0)小于等于0.5 K，13CO(J=1-0)和C18O(J=1-0)小于等于0.3 K，且整個區(qū)域噪聲水平均勻分布。

4 數(shù)據(jù)價值

目前國際上最完整的巡天觀測是哥倫比亞巡天，它利用兩臺1.2米望遠(yuǎn)鏡對銀道面進行了12CO(J=1-0)譜線（115GHz）的無偏巡測[6]，其結(jié)果在國際天文界產(chǎn)生了重大影響。遺憾的是，該巡天空間分辨率不高，并且有些區(qū)域并非完備采樣，很可能會遺漏一些小的結(jié)構(gòu)；另外它只進行了12CO(J=1-0)的觀測，由于12CO(J=1-0)在高密度區(qū)域光深較大，可能出現(xiàn)自吸收的情形，使得對氣體整體質(zhì)量的估算出現(xiàn)偏差（有時誤差可能大至一個量級），望遠(yuǎn)鏡較小的口徑也不能保證探測較弱的氣體成分。因此，極其有必要拓展這類觀測，以探測更弱、更細(xì)致的成分。另一個比較有影響的巡天計劃是五大學(xué)巡天（FCRAO），該巡天望遠(yuǎn)鏡口徑是14米，在12CO(J=1-0)譜線上的主波束寬帶約為46角秒，較哥倫比亞巡天極大地改善了分辨率及靈敏度，但該巡天只對一些特定的區(qū)域進行了觀測，有的只有12CO(J=1-0)，有的包括13CO(J=1-0)觀測，沒有C18O(J=1-0)，因此也不完備。銀河畫卷巡天借助其多譜線探測能力、適度高的空間分辨率、完整的空間覆蓋以及大的天區(qū)面積等幾方面的探測能力優(yōu)勢,使得我們獲得系統(tǒng)的科學(xué)發(fā)現(xiàn)及全新的知識成為可能（圖3）。

圖3 哥倫比亞1.2米、FCRAO14米及13.7米觀測結(jié)果比較