1、1中国科学院知识创新工程重要方向项目建议书项目名称：南银冠 u 波段巡天候选项目负责人：周旭依托单位：国家天文台参加单位：国家天文台、上海天文台联系人：周旭电话：010-64852571E-mail：所属创新基地：交叉前沿部署主管专业局/主管专业处：基础局/ 天文力学与空间科学处中国科学院计划财务局制2009 年 9 月 3 日填2摘要随着国际上新的大望远镜的不断出现，在追求高极限星等和高空间分辨本领，对宇宙进行深空观测的同时，通过 SDSS 等巡天项目，人们越来越意识到大视场多色巡天观测的重要性。 然而，目前除了 SDSS 将观测小部分南银冠天区外，几乎没有对南银冠的 u 波段 (3551
2、) 巡天的项目。随着 SDSS 项目的成功和 LAMOST 在 2008 年 10 月的顺利竣工和试观测的开始，越来越多的天文学家意识到 u 波段测光数据的重要性，我们希望利用包括 u 波段在内的测光数据开展恒星和星系多方面的天体物理研究工作，并为 LAMOST 提供观测样本和为 LAMOST 数据处理及流量定标提供支持。根据课题时间的紧迫和目前我国观测设备的限制，我们希望通过国际合作得到多色测光数据。经过调查和分析国内外望远镜观测能力之后，我们认为美国亚利桑那州 Steward 天文台的 90 英寸（2.3 米）Bok 望远镜可以有效地完成 u 波段的观测任务。经过反复协商，我们和美国亚利桑
3、那大学的 Steward 天文台共同认为合作观测南银冠天区是可行的，并双方签署了南银冠 u 波段巡天计划的协议。巡天计划的主要内容是利用位于美国亚里桑那州基特峰 (Kitt Peak)的 2.3 米望远镜和大视场 CCD 相机，开展 对银纬 b 10的南银冠天区 3700 平方度的天区的 u 波段（3551 ）巡天。通过 5 分钟的曝光积分时间，极限星等将暗于 23 等。目前该计划已经启动，美国方面已经在研制新的用于巡天的 CCD 相机。我们希望于今年年底开始观测，通过 3 年（每年 9 月份-12 月份）时间内完成观测，并及时地开展数据处理工作。在观测进行之中和完成之后，我们将得到属于国家天
4、文台的观测数据和新研制的望远镜终端设备。同时将获得的观测数据与其它波段数据结合，我们将取得很多天体物理研究成果，并在国际天文研究上产生重要影响。一、立项依据1、项目的科学意义，国内外研究概况及发展趋势天文巡天是指使用望远镜对天空某些范围进行图像或者光谱观测。在过去，巡天被局限为一个波段的电磁辐射或者某种类型粒子的流量（如宇宙线）的测量，最后往往得到某种类型的天体（如亮于某个视星等的亮星）的天文性质的物理参数。近几十年来，科学技术的更新促使了一大批高性能的天文望远镜的诞生，各种国际上的巡天项目不断开展，而且越来越多的巡天都逐渐趋向于多波段观测，更多的波段提供给我们天体更多的信息，可以帮助我们在不
5、同波长上更全面地了解天体的物理性质。对于 u 波段巡天，我们可以得到波长约 3551 天体的流量，结合 Pan-STARRS 望远镜的 g (4100 )，r (5500 )，i (6940 )，z (8470 )，Y (9600 )的波段3数据，我们就可以得到南银冠 3700 平方度波长范围从 3500 9600 的谱能量分布，从而进行各种天体物理研究。南银冠 u 波段巡天的科学意义如下：（1）对恒星、星系、活动星系核及类星体的初步分类判定需要多色测光，而 u 波段的测光会显著提高分类的准确性和可靠性。从形态上可以分出恒星和近邻星系：恒星是点源，星系是展源。从双色图上可以初步判断出天体的类型
6、。图 1 中分别显示了恒星、星系和类星体在双色图上的分布，我们可以看出这三种类型的天体在双色图的中的位置分布是不同的，因此，我们可以通过双色图上的位置来初步判断天体的类型。从图 1 中可以看出在使用了 SDSS 的 u 波段测光后，恒星、星系和类星体的分布更加广，分得更开，这样就有利于提高我们对未知天体的类型进行初步判断的准确性和可靠性。本项目拟用美国 Kitt Peak 天文台 2.3 米 Bok 望远镜进行 u 波段的观测，得到的测光数据将用来研究上述问题。图 1：SDSS 测光中的恒星（ ） ，星系（ ）和类星体（其中红移 z 2 的观测样本还很少，因为像 SDSS 这样的巡天还不足以进
7、行准确的统计研究。LAMOST 的观测样本将在较大的红移范围内精确地测量类星体的相关函数。我们希望用类星体的成团性来研究类星体暗物质晕的质量和类星体活动的时标。进而，大规模的类星体样本将有利于建立不同质量和其他类星体性质的子样本，如中心黑洞质量。这些新的限制可以有力限制类星体演化的模型和黑洞活动性与星系演化的关系。作为独立于 LAMOST 的巡天项目，我们南银冠 u 波段巡天的深度可能达到 23 等。结合其他波段观测的结果所选出的类星体样本，比 LAMOST 巡天的深度深很多。即使没有光谱观测，测光红移选的类星体样本本身，就可以有效地开展类星体光度函数的测量，和高红移类星体角相关函数。本项目拟
8、用 Bok 2.3 米望远镜观测得到南银冠 3700 平方度范围的 u 波段测光，结合别的波段的测光，将发现一大批红移 z 1 的星系，因此，我们可以利用u 波段优先观测高红移星系。图 4：测光红移和光谱红移的比较6对于低红移（z 0.2，u 波段也给出了很强的限制。对于高红移星系，比如，0.3 z 1，地面 u 波段相当于观测了这些遥远星系的紫外辐射。这对研究星系的恒星形成，星系气体的演化过程非常重要。最近的研究结果表明，今天我们看到的星系中，有 50的恒星是在宇宙的最近 8 Gyr（z 1）形成的。紫外辐射主要来自大质量的恒星。 这些恒星示踪了星系中气体的演化。因此，高质量的 u 波段的数
9、据，对于研究 z1 的星系恒星形成是非常重要的。在星族合成方面 u 波段在星族合成中，对于区分老年星族和年轻星族起着关键的作用。对于有足够的空间分辨率（比如：大于 10 10）的星系，高精度的 u 波段测光对确定星系的恒星形成的二维分布将会有很大的帮助。这将加深我们对邻近星系的恒星形成历史的了解。其结果也可以为检验各种星系形成模型（如：并合模型，独立演化模型等）提供参考。对于本星系群的成员星系，我们将获得极高的空间分辨率，达到星团和星云的尺度。这使我们能够仔细地研究星系的各空间成份，如旋臂，核球，晕的星族成分。我们将进一步，我们将深入研究星系的恒星形成历史，从而理解星系的形成和演化过程（从星系
10、的形态到星族分析） 。（4）包括 u 波段的多色测光将有助于发现星暴星系的候选者。星暴星系中年老的星族与年轻星族同时存在，而 g，r 和 i 波段得到的色指数可能对于年龄不敏感，我们可以利用对星族年龄敏感的 u 波段并结合其他波段来分析星族的年龄。星暴星系中存在大量的年轻的刚诞生的恒星，这些恒星在蓝端有较强的辐射，在 u 波段的辐射很强，所以 u 波段的观测对于研究星暴星系的性质具有非常重要的作用。7图 5：星暴星系 M82Hopkins et al. (2003) 通过比较其它恒星形成率的指标（Halpha，OII 和远红外） ，证明了 u波段测光是测量星系恒星形成率的很好指标。（5）在银河
11、系结构研究方面，包含 u 波段的多色测光的数据有利于恒星类型的判定，控制观测对象的完备性。对于银河系结构方面的研究，我们需要有 u 波段+Pan-STARRS 的测光数据对恒星的类型进行判断，这样我们就可以保证 LAMOST 观测恒星类型的完备性。另外，与 CCD 图像测光观测不同，LAMOST 不可能逐一观测视场内所有的恒星。因此，我们可以利用 u 波段+Pan-STARRS的测光数据先为 LAMOST 的观测提供一个完备的恒星类型样本作为输入星表，这样才能达到较好的完备性以及空间均匀性。如图 6 所示，我们可以看到，不同光谱型的恒星的颜色是不同的。大质量的恒星颜色较蓝，小质量的恒星颜色较红
12、。而不同类型恒星的谱能量分布的差异在 u 波段要比其它的波段更为明显，所以 u 波段的观测就显得非常重要。8图 6：不同类型恒星的颜色分布不同光谱型的恒星在双色图上的位置也不同（见图 7）。大质量的恒星颜色偏蓝，处于双色图的左下方，而小质量的恒星颜色偏红，处于双色图的右上方。我们可以通过恒星在双色图上的位置来判断其光谱型和质量。图 7：不同类型恒星的双色图分布（6）结合其它波段的观测，u 波段测光可以帮助我们很好地估计星系中星族的金属丰度。无论是恒星还是近邻星系（红移 z 0.1） ，在谱能量分布 SED 中，u 波段随年龄和金属丰度的变化都显著大于其它波段，因此，可以利用 u 波段结合其它波
13、段来估计星系中星族的金属丰度。9图 8：太阳金属丰度，不同年龄的简单星族的 SED。可以看出，在 u 波段的波长处变化幅度最大，因此 u 波段可以很好的帮助我们区别不同年龄的星族。图 9 显示了 u 波段对年轻星族的年龄和金属丰度的决定的重要性。左边是 V- (B-V) 颜色星等图，右边是 V- (U-V)的颜色星等图，我们可以很明显地看出色指数(U-V)可以很好的区分不同年龄和金属丰度的星族。图 9：500 Myr 和 600 Myr 年龄星团的模型颜色星等图，金属丰度分别是 Z=0.008 和 0.004。我们可以看到包含 u 波段的颜色星等图可以很好的把两种星族的红巨星分开，但是，如果没
14、有 u 波段的颜色星等图却不能分开。10图 10 是星族合成模型给出的不同年龄的星族的谱能量分布，我们可以很明显的看出，u 波段相对于其它波段的测光而言，在星族演化中的谱能量分布影响最大。图 10：太阳金属丰度下不同年龄的星团的模型谱能量分布对于年龄 t 1 Gyr 的年轻星团的分析，最好的颜色是 UBRI 和 UBVI，都不能缺少 u 波段。在任何情况下，u 波段对于年轻星族的年龄，金属丰度和消光都起着非常重要的作用。在典型的测光精度下(mag0.05)，多色测光对于年龄和金属丰度简并的解除效果和典型信噪比下光谱的能力是相当的（Cardiel et al. 2003） 。u 波段观测数据对识别恒星系统内的恒星成分、研究星系及星团的演化历史有着至关重要的作用。图 11：1 个太阳质量，年龄是 1 Gyr 的谱能量分布随金属丰度的变化
