Dieses gewöhnliche Gas ermöglicht es uns, das schönste „Galaktische Bild“ zu zeichnen

(Dieser Artikel wurde zuerst in „Science Academy“ veröffentlicht)

In den vergangenen zehn Jahren hat China im Rahmen seiner „Milky Way Survey“ die erste Untersuchung von CO und seinen Isotopen mithilfe eines Teleskops und 40 Personen abgeschlossen. Vor Kurzem begann das „Galactic Panorama“ mit seiner zweiten Himmelsdurchmusterung, die ebenfalls zehn Jahre dauern soll.

Zusammengesetztes Bild der CO/¹³CO/C¹⁸O-Molekülstrahlung im Millimeterwellenbereich über einem lokalen Himmelsbereich von 315 Quadratgrad in der nördlichen galaktischen Scheibe (oben) und optisches Bild (unten). Die Bilder stammen aus der Millimeterwellen-Durchmusterung „Galactic Panorama“ und der optischen Durchmusterung Pan-STARRS. ￨ Bildquelle: Das obere Bild stammt vom Autor, das untere Bild aus Aladin Sky Atlas

Was also ist eine Himmelsdurchmusterung? Was genau will die „Galaktische Schriftrolle“ bewirken? Dieser Artikel hilft Ihnen, als Augenzeuge die Wahrheit herauszufinden.

Die Himmelsdurchmusterung ist eigentlich eine Volkszählung

Astronomie ist eine Disziplin, die durch Beobachtung und Entdeckung geprägt ist. Bei der ungezielten blinden Himmelsdurchmusterung handelt es sich um eine systematische Beobachtungsmethode, bei der die scanbaren Bereiche des Himmels wahllos Block für Block abgetastet werden. Es ist wie eine „Volkszählung“ der Himmelskörper. Es ist eine grundlegende Methode, unbekannte Himmelskörper zu entdecken. Die umfassenden Daten und unerwarteten Entdeckungen können den vielfältigen Bedürfnissen der Wissenschaftler gerecht werden. Der Himmelsdurchmusterungsmodus trägt außerdem dazu bei, die Beobachtungseffizienz des Teleskops zu maximieren und kann als effizienter Betriebsmodus bezeichnet werden, der der gesamten astronomischen Gemeinschaft zugute kommen kann.

Professor J. Ostriker, theoretischer Astrophysiker, ehemaliger Leiter der Abteilung für Astronomie und Physik und Vizepräsident der Princeton University, fasste die Bedeutung von Himmelsdurchmusterungen wie folgt zusammen: „Himmelsdurchmusterungen sind nicht der wichtigste Teil der Astronomie, aber sie sind auch unverzichtbar.“

In der Astronomie sind Durchmusterungen nicht das Wichtigste – sie sind das Einzige. —— J. Ostrker

Himmelsdurchmusterungen in verschiedenen Bändern haben Runden der „Involution“ durchlaufen, in denen Auflösung, Empfindlichkeit und dann der Umfang des Himmels verbessert wurden, wobei in jeder Runde die wichtigen Parameter verbessert wurden, die die Qualität der Durchmusterung bestimmen. Als einer der jüngsten Bereiche hat die Millimeterwellen- und Submillimeterwellenastronomie (Hochfrequenzradio) in ihrer kurzen 50-jährigen Entwicklungsgeschichte tatsächlich viele Wettbewerbsrunden durchlaufen.

Das embryonale Stadium: Die Entdeckung des interstellaren CO

CO ist das stärkste molekulare Gas und das am häufigsten vorkommende interstellare Molekül. Es wurde erst 1970 von Wilson, Jeffets und Penzias im Orion entdeckt [1]. Zufälligerweise waren der erste und der dritte Autor die beiden Ingenieure, die für ihre zufällige Entdeckung der Mikrowellen-Hintergrundstrahlung den Nobelpreis erhielten. Die Isotope von CO, ¹³CO und C¹⁸O, wurden 1971 ebenfalls von ihnen entdeckt[2].

Die Kombination dieser drei Spektrallinien kann als „goldenes Paar“ beschrieben werden, das die physikalischen Eigenschaften wie Temperatur und Dichte sowie die chemischen Eigenschaften molekularer Gase offenbart. Von CO→¹³CO→C¹⁸O nimmt die Molekülhäufigkeit allmählich ab, der Emissionsbereich wird allmählich kleiner und die Intensität der Spektrallinie wird allmählich schwächer. CO kann in den äußeren Wolken beobachtet werden, wo die meiste Masse der Molekülwolke konzentriert ist, das Isotopenmolekül C¹⁸O kann in den dichteren Bereichen innerhalb der Molekülwolke beobachtet werden und das Isotopenmolekül ¹³CO liegt irgendwo dazwischen. Gleichzeitig kann das Häufigkeitsverhältnis zwischen ihnen die Rückkopplung des Materialkreislaufs widerspiegeln, die mit der Sternentstehung und -entwicklung unter verschiedenen Umgebungsbedingungen einhergeht [3]. Diese Kombination ist für andere Spektrallinien unerreichbar.

Nach der Entdeckung des CO-Moleküls wurden viele frühe Niederfrequenz-Radioastronomen, die an der Untersuchung von Atomgasen mit HI-21 cm beteiligt waren, zu Pionieren der CO-Untersuchungen. Teleskope auf der ganzen Welt, die im 3-mm-Wellenlängenband (ca. 110 GHz) arbeiten, haben ebenfalls eine große Zahl von CO-Untersuchungen durchgeführt. Um dieses Untersuchungsziel zu erreichen, wurden sogar viele Teleskope oder Empfängersysteme von Grund auf neu gebaut.

Die Ära der umfassenden CO-Erhebungen

Zwei Übersichtsartikel aus den Jahren 1991 und 2015 fassten die Projekte zur Durchmusterung der Milchstraße seit der Entdeckung des CO-Moleküls umfassend zusammen [4,5]. Seien Sie nicht schockiert, wenn Sie die Projektnummern auf dem Bild sehen, es sind ganze 59! Passt auf! Markieren Sie die wichtigsten Punkte!

Eine Zusammenfassung der bis 2015 international abgeschlossenen CO-Erhebungsprojekte [5]. Die Länge und Breite des Rechtecks ​​geben die Abdeckung der galaktischen Länge bzw. Breite an, und die Graustufen geben die Empfindlichkeit an. Rot: ¹³CO-Umfrage, schwarz: ¹²CO-Umfrage.

„Der Gründer“ (1970–1980)

Das 36 Fuß (etwa 11 Meter) große Millimeterwellenteleskop (NRAO-11m) des National Radio Astronomy Observatory der Vereinigten Staaten war das Teleskop, das das CO-Molekül entdeckte und als erstes CO-Untersuchungen durchführte. Von 1970 bis 1980 war es fast das einzige Teleskop im Bereich der CO-Durchmusterungen. Damit wurden bis zu zehn Himmelsdurchmusterungen durchgeführt (Nummern 1–6, 8–10 und 16). Obwohl der Umfang der Umfrage im heutigen Sinne bestenfalls einer „vereinfachten Miniversion“ der Umfrage entsprach und die Datenqualität eher dürftig war, handelte es sich um eine äußerst bahnbrechende Studie. Auf diesen Untersuchungen basierten die ersten Erkenntnisse der Menschen über die Verteilung des molekularen Gases in der inneren Scheibe der Milchstraße, die Rotationskurve und das CO-Isotopenhäufigkeitsverhältnis.

Die Ära der zwei nebeneinander fahrenden Waggons (1980-2010)

Um 1975 wurden die beiden 1,2-Meter-Millimeter-Teleskope (CfA-1.2m) des Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics auf der Nord- und Südhalbkugel sowie das 14-Meter-Millimeter-Teleskop (FCRAO-14m) von fünf Universitätsobservatorien in den USA fertiggestellt und in Betrieb genommen. Angetrieben von diesen beiden Wagen betraten CO Sky Surveys die „Autobahn“.

Mit dem 1,2-m-Teleskop des CfA wurden mehr als zehn Himmelsdurchmusterungsprojekte durchgeführt. Wenn alle diese Untersuchungen zusammengefügt werden, deckt die Untersuchung fast die gesamte galaktische Ebene vom Längengrad l = -180° bis +180° und vom Breitengrad ±35° ab (Nr. 48). Sein größter Vorteil ist die große Himmelsabdeckungsrate (20 %). Daher liefert es uns wichtige Beobachtungsdaten zur Untersuchung der großräumigen Struktur der Milchstraße. Aufgrund der geringen räumlichen Auflösung kommt es jedoch immer noch zu großen Abweichungen bei der Erkennung von Wolkenproben, und Wolken mit geringer Masse oder geringem Winkelmaßstab können nicht gut erkannt werden.

Mit dem 14-m-Teleskop des FCRAO werden sieben Himmelsdurchmusterungsprojekte durchgeführt. Die einflussreichsten davon sind Mass-SB (Nr. 20), OGS (Nr. 41) und GRS (Nr. 53). Da die Öffnung zehnmal größer als 1,2 Meter ist, wurde bei diesen Untersuchungen eine bessere räumliche Auflösung und Empfindlichkeit erreicht, die räumliche Abdeckung ist jedoch sehr klein geworden.

Es ist erwähnenswert, dass bei den OGS- und GRS-Untersuchungen ein verbessertes Multipixel-Focal-Plane-Array-Empfängersystem zum Einsatz kommt, das die Beobachtungseffizienz verbessert. Die Sensitivität und Vollständigkeit der Stichprobennahme sind im Vergleich zur Mass-SB-Umfrage deutlich verbessert. Durch Ausnutzung der höheren räumlichen Auflösung und Empfindlichkeit dieser Untersuchungsdaten konnten wichtige Fortschritte bei der Untersuchung der Dichte- und Geschwindigkeitsstruktur innerhalb der Molekülwolken der Milchstraße erzielt werden. Allerdings begrenzt seine geringe räumliche Abdeckung auch seinen Beitrag zur Untersuchung der Struktur der Gasscheibe der Milchstraße.

Vergessen Sie nicht, dass sie

Neben diesen beiden Wagen gab es in dieser Zeit einige wichtige Teleskope, die auch die Hauptantriebskraft der damaligen CO-Himmelsdurchmusterung darstellten, darunter das 7-Meter-Teleskop der Bell Laboratories in den USA (kurz: Bell-7m) und das Millimeterwellen-Radioteleskop mit 4 Metern Öffnung der Universität Nagoya in Japan (kurz: NANTEN-4m). Sie haben Erfolge bei der Enthüllung der großräumigen Struktur der Zentralregion der Milchstraße und der Verteilung der Superblasen in der Milchstraße erzielt.

Chinas CO-Umfrage: „Gute Dinge kommen spät“

Nach der Lektüre haben die Leser möglicherweise viele Fragen. Wir haben uns 40 Jahre lang intensiv mit der Geschichte der CO-Erhebungen befasst, aber warum haben wir die Präsenz unseres Landes im 21. Jahrhundert nicht erkannt? Haben wir kein Teleskop, mit dem wir CO beobachten können? Oder haben die anderen Teleskope ihre Untersuchung bereits abgeschlossen, sodass unsere nutzlos ist?

Die hohen technischen Hürden sind ein wesentlicher Grund dafür, warum es schwierig ist, sich für den Wettbewerb zu qualifizieren. Das 13,7 Meter große Millimeterwellenteleskop meines Landes, das tief in der Wüste Gobi auf einer Höhe von über 3.000 Metern im Qaidam-Becken des Qinghai-Tibet-Plateaus liegt, wurde ursprünglich 1990 gebaut, aber der 3-mm-Band-Halbleiterempfänger am hinteren Ende des Teleskops bestand die technische Abnahme erst 1996. Seitdem ist es nur im Millimeterwellenband in Betrieb gegangen. Es ist das einzige Teleskop in meinem Land, das CO beobachten kann, und seine Öffnung liegt im internationalen Vergleich im mittleren Bereich der Teleskope im gleichen Frequenzband. Vor 2010 befand es sich jedoch noch in der Ära der Einstrahlempfänger und sein kleines Sichtfeld stellte eine große Einschränkung dar, die es daran hinderte, Himmelsdurchmusterungen durchzuführen. Im Zeitalter des Einzelstrahlempfangs sind unvoreingenommene großflächige Himmelsdurchmusterungen fast die einzige Fähigkeit von Teleskopen mit kleiner Apertur.

Eine weitere Realität ist, dass frühere Himmelsdurchmusterungen alles andere als perfekt waren und offensichtliche „voreingenommene“ Probleme aufwiesen. Entweder waren Auflösung und Empfindlichkeit nicht hoch genug oder der abgedeckte Himmelsbereich war nicht groß genug. Zudem war die Untersuchung der Dreilinienkombination aus CO,¹³CO und C¹⁸O noch leer. Diese Dreilinienkombination ist das goldene Paar zum Aufspüren der Eigenschaften molekularer Gase. Es ist besser, sich zurückzuziehen und ein Netz zu weben, als andere zu beneiden. Diejenigen, die die vorherigen Runden der CO-Himmelsdurchmusterungen verpasst haben, bereiten sich jetzt auf die Reise vor.

China profitiert von der rasanten Entwicklung der chinesischen Wirtschaft sowie der Wissenschaft und Technologie und hat begonnen, auch in diesem Bereich Fuß zu fassen.

Neue Höhen erreichen: Himmelsdurchmusterungen, die gleichzeitig mehrere molekulare Spektrallinien erfassen

Das 13,7 Meter große Millimeterwellenteleskop des Qinghai-Observatoriums unter dem hellen Sternenhimmel und der Milchstraße ￨ Fotoquelle: Auf einem Esel nach Tibet

„Wenn Sie Ihre Arbeit gut machen wollen, müssen Sie zuerst Ihre Werkzeuge schärfen.“ Ende 2010 entwickelte mein Land erfolgreich ein 9-Strahl-Seitenband-getrenntes supraleitendes Bildspektrometer und setzte es auf das 13,7-Meter-Millimeterwellenteleskop ein[6]. Durch diese Verbesserung wurde die bisherige einäugige Beobachtung des Sternenhimmels auf neun Augen erweitert und das Sichtfeld um das Neunfache vergrößert. Durch die Seitenbandtrennungstechnologie und die clevere Zwischenfrequenzeinstellung war es möglich, dass die drei Spektrallinien von CO,¹³CO und C¹⁸O, die sich in der Frequenz um bis zu 6 GHz unterschieden, gleichzeitig vom 1 GHz Bandbreitenspektrometer empfangen werden konnten. Darüber hinaus hat die Anwendung des Schnellscan-Beobachtungsmodus die Beobachtungseffizienz des Teleskops erheblich verbessert. Insgesamt haben diese Upgrades die Beobachtungseffizienz im Vergleich zur Vergangenheit um fast das 60-fache gesteigert. Es sind diese sich ständig verbessernden Technologien, die dem 13,7-Meter-Teleskop die neue Fähigkeit verleihen, schnelle Durchmusterungen großer Himmelsgebiete durchzuführen. Die neue multispektrale Kombination ermöglicht es zudem, die großräumige Verteilung und Eigenschaften von molekularem Gas im interstellaren Raum auf ungewöhnliche Weise zu erforschen.

Die erste Phase des Projekts Milky Way Image Survey (MWISP) wurde im September 2011 offiziell gestartet. Dabei wird eine unvoreingenommene Blinduntersuchung von CO, ¹³CO und C¹⁸O im beobachtbaren Himmelsbereich von etwa 2400 Quadratgrad im Bereich von ±5° galaktischer Breite in der nördlichen galaktischen Ebene durchgeführt. Nach 10 Jahren harter Arbeit von etwa 40 Personen, insbesondere den Bedienern des 13,7-Meter-Teleskops, ist endlich ein wunderschönes Farbbild der Milchstraße fertig!

Der Beginn des Zeitalters der Millimeterwellen-Farbbilder hat die CO-Himmelsdurchmusterung auf ein neues Niveau gebracht. Es wurde eine Datenbank zur Himmelsdurchmusterung erstellt, die Schönheit und Weisheit vereint und keine offensichtliche Voreingenommenheit aufweist.

Reisen Sie zurück in die Zeit des „Schwarz-Weiß-Fernsehens“

Teilfarbkarte der Milchstraße, die mit der „Galactic Scroll“ erstellt wurde – Farbkarte, die für den typischen riesigen Molekülwolkenkomplex W3 (ca. 2,5 Grad²) erstellt wurde. ￨ Bildquelle: Autor; Die Daten stammen aus der Milchstraßen-Rolle und den öffentlich zugänglichen Archivdaten der 1,2-Meter-Himmelsdurchmusterungen von OGS und CfA

Wie das Sprichwort sagt: Große Geister denken gleich. Auf internationaler Ebene folgten Australiens Mopra-22m und das Millimeterwellenteleskop NRO-45m des japanischen National Radio Astronomy Observatory dicht dahinter und schlossen sich um 2013 dem CO-Triple-Line-Survey-Lager an.

Welches CO-Umfrageunternehmen ist das beste?

Sowohl im Leben als auch bei der Himmelsdurchmusterung ist es wichtig, die richtige Position zu finden! Nur wenn wir diese erkennen, können wir unsere Stärken besser nutzen und gleichzeitig unsere Schwächen vermeiden oder ausgleichen sowie den wissenschaftlichen Wert der Daten besser ausschöpfen. Um diese Fragen zu klären, haben wir das Milchstraßenbild mit den 10 einflussreichsten Himmelsdurchmusterungen der Welt verglichen.

Die Empfindlichkeit ist die Empfindlichkeit pro Flächeneinheit bei gleicher spektraler Auflösung und bei der ¹²CO-Frequenz. Je größer der Kreis, desto höher die Empfindlichkeit.

Räumliche Auflösung und räumliche Abdeckung; rechte Abbildung: Geschwindigkeitsauflösung und Geschwindigkeitsabdeckung; Die Empfindlichkeit pro Flächeneinheit wird durch die Größe des Kreises angegeben. Je größer der Kreis, desto höher die Empfindlichkeit. Kreuze kennzeichnen Erhebungen mit unvollständiger räumlicher Stichprobennahme. (Bildquelle: Autor)

Die Merkmale jeder Umfrage werden auf Papier klar dargestellt. Es besteht kein Zweifel, dass der größte Vorteil der CfA-1,2-m-Durchmusterung ihre große Abdeckung des Himmelsbereichs ist. der größte Vorteil der FUGIN-Durchmusterung des NRO-45m-Teleskops ist seine hohe räumliche Auflösung;

Die „Galactic Scroll“-Umfrage ist in allen Aspekten relativ ausgewogen und weist bemerkenswerte Vorteile und Merkmale auf:

Hohe Empfindlichkeit

Mehrleitungssonde

Komplette Beprobung großer Himmelsflächen

Hohe spektrale Auflösung und breite Geschwindigkeitsabdeckung

Das Ende ist auch ein neuer Anfang

In der neuen Wettbewerbsrunde ist die Datenqualität von MWISP überlegen und seine Leistung in allen Aspekten gut. Anhand der Daten aus der frühen Akkumulationsphase der Untersuchung wurden eine Reihe wissenschaftlicher Entdeckungen gemacht. Von der Entdeckung der Spiralarmstruktur, die am weitesten vom galaktischen Zentrum entfernt ist, bis zur Enthüllung der Eigenschaften der molekularen dicken Scheibe der Milchstraße, von der Erstellung einer vollständigen Molekülwolkenprobe bis zur Entdeckung statistischer Gesetze der physikalischen und chemischen Eigenschaften von Molekülwolken, von der Identifizierung von Kandidaten für großräumige molekulare Einwärts-/Auswärtsströmungen bis zur Suche nach Hinweisen auf SNR-Wechselwirkungen zwischen Molekülwolken und HII-Regionen verändern diese neuen Ergebnisse unser Verständnis der großräumigen Struktur der Milchstraße und interstellarer Molekülwolken. Es ist zu erwarten, dass durch eine anschließende systematischere Analyse der MWISP-Daten weitere Entdeckungen gemacht werden.

Ist der Weg zur Himmelserkundung also zu Ende und ist es Zeit, sich hinzulegen? Natürlich nicht, es gibt in vielen Aspekten der Himmelsdurchmusterung noch Raum für Verbesserungen.

Obwohl der von MWISP erfasste Gesamtfluss mit der Verbesserung seiner Empfindlichkeit deutlich zugenommen hat (er erreicht das 1,6-fache der CO-Untersuchung des 1,2-m-Teleskops des CfA und der OGS-Untersuchung des 14-m-Teleskops des FCRAO), zeigt eine grobe Schätzung durch Extrapolation und Interpolation, dass die Vollständigkeitsrate der Flusserkennung von MWISP bei der aktuellen Empfindlichkeit im Durchschnitt nur 58 % beträgt und immer noch einige Fische durch das Netz schlüpfen. Darüber hinaus steigt der Grad des Verkehrsverlusts mit zunehmender Entfernung rapide an. Beispielsweise betragen im äußeren Scutum-Centaurus-Arm (OSC) am Rand der Milchstraßenscheibe die Verhältnisse des von MWISP erfassten Flusses zu den OGS- und CfA-Untersuchungen 7,4 bzw. 43,8. Die Flussvollständigkeit von MWISP in diesem Spiralarmsegment beträgt nur 32 %[7]. Daraus lässt sich unschwer schließen, dass die Fähigkeit der aktuellen Himmelsdurchmusterung, die Milchstraße zu erkennen, noch immer recht begrenzt ist.

Die vom Planck-Satelliten [8] empfangene CO-Kontinuumsstrahlung, die durchgezogenen und gestrichelten Linien zeigen den Bereich der „Galactic Panorama“-Durchmusterungen der Phasen I und II an.

Darüber hinaus deckt der Himmelsbereich der „Milky Way Picture Scroll“ Phase I die galaktische Breite von ±5° ab, was noch sehr begrenzt ist. Um einen Blick in die riesige Milchstraße zu werfen und einen größeren Bereich des Himmels abzudecken, wurde die Durchmusterung „Galactic Panorama“ II bei galaktischer Breite ±10° ins Leben gerufen und am 1. September 2021 gestartet.

Ein neuer Traum ist in See gestochen und es ist zu erwarten, dass die Untersuchungen der molekularen CO-Spektrallinien im nächsten Jahrzehnt ein höheres Niveau erreichen werden. Aber trotzdem decken diese Beobachtungsbereiche nur einen kleinen Teil des Himmels ab. Es gibt noch weitere Gebiete, die sorgfältig überwacht werden müssen, wie etwa die bekannten Orion-, Taurus- und Ophiuchus-Gebiete … Nach dem aktuellen Stand der Technik können diese noch immer nicht effektiv abgedeckt werden und liegen noch weit außerhalb der Patrouillenreichweite.

Weder wissenschaftliche Bestrebungen noch technologische Anforderungen sind grenzenlos. Himmelsdurchmusterungen sind immer unterwegs; Eine größere Himmelsflächenabdeckung, höhere Empfindlichkeit, höhere Auflösung und größere Effizienz sind die ewigen Ziele der Himmelsdurchmusterung.

Quellen:

[1] Wilson, RW, Jefferts, KB, Penzias, AA, 1970, ApJL, 161, 43

[2] Penzias, AA, Jefferts, KB, Wilson, RW, 1971, ApJ, 165, 229

[3] Microwave Spectral Line Diagnosis in Astrophysics, herausgegeben von Zeng Qin, Mao Ruiqing und Pei Chunchuan, Science and Technology Press of China

[4] Combes, F. 1991, ARA&A, 29, 195

[5] Heyer, M. & Dame, TM, 2015, ARA&A, 53, 583

[6] Shan, WL, Yang, J., Shi, SC, et al. 2012, ITTST, 2, 593

[7] Sun, Y., Yang, J., Yan, Q.-Z. et al. 2021, ApJS, 256, 32

[8] Planck Collaboration, 2014, A&A, 571, A13

Über den Autor

Sonne Yan

Assoziierter Forscher am Purple Mountain Observatory der Chinesischen Akademie der Wissenschaften, Mitglied der Youth Innovation Promotion Association der Chinesischen Akademie der Wissenschaften und Kernmitglied der Himmelsdurchmusterung „Galactic Panorama“.

Yang Ji

Forscher am Purple Mountain Observatory der Chinesischen Akademie der Wissenschaften und leitender Forscher der „Galactic Panorama“-Umfrage.

Rotierender Chefredakteur: Ji Jianghui

Herausgeber: Wang Kechao