抬頭仰望，千億恒星織就的銀河橫亙在夜空。在這廣袤的星際空間中，充滿了稀薄的星際介質。這些銀河系的“氣體”長啥樣？近日，國家天文臺研究員韓金林領導的科研團隊，利用“中國天眼”（FAST）揭示了銀河系星際介質前所未見的“高清細節”。
他們在搜尋銀河系內脈沖星的過程中，同步記錄了星際介質的譜線數據，揭示出銀河系中性氫氣體的精致結構和電離氣體的彌漫特征。同時，他們還測量到大量暗弱脈沖星的法拉第效應，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系內的星際生態循環有重要意義。系列論文于12月10日作為特別專題發表在《中國科學：物理學 力學 天文學》。
“可以說，沒有FAST，很難開展如此大范圍的星際磁場探測”。韓金林表示。
專題主編、中科院院士景益鵬在編者按指出：“高靈敏度FAST觀測揭示了銀河系前所未有的細節，所發表的中性氫和電離氫數據庫可以用于探索銀河系星際氣體的許多特征，為世界范圍內的天文學家提供寶貴的數據資源”。
FAST成為研究“利器”
作為人類在浩瀚宇宙中的家園，銀河系的結構和組成依然有很多謎團。在這里，稠密的氫原子匯聚冷卻，形成氫分子云團，在高密度云團核心中孕育出新一代恒星。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沖星。
爆炸激波可以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，輻射出微弱的無線電波。
作為目前世界上靈敏度最高的單口徑射電望遠鏡，FAST配備了高靈敏度的L波段19波束制冷接收機，它成為發現脈沖星、研究銀河系星際介質的“利器”。
作為FAST重大優選項目之一，2019年，韓金林研究團隊啟動了銀道面脈沖星快照（GPPS）巡天，至今不到三年時間已發現500多顆脈沖星，亮度比之前發現的脈沖星暗弱一個量級。
他們在搜尋脈沖星的同時，同步記錄了星際氣體輻射的譜線數據。這些數據兼具高靈敏度、高頻譜分辨率、高空間分辨率的特征，是研究銀河系結構和星際生態循環極其寶貴的資源。
獲取星際介質高清圖像
獲得數據后，更為重要的是對這些數據進行分析處理。對第一批GPPS巡天譜線數據進行處理后，韓金林團隊發布了銀河系星際空間原子氣體、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。
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）（國家天文臺供圖）
“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。結果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系中心6萬光年之外、其他望遠鏡都看不清的小小云團，這為銀河系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。”韓金林說。
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對此表示：“與之前的所有中性氫（HI）巡天相比，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。”
星際空間電離氣體是銀河系中最后一個尚未深究的主要組分，團隊還處理了GPPS巡天同步記錄譜線數據中的氫原子復合線，得到了與氫原子同一天區銀河系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。
FAST揭示的銀河系星際空間電離氣體分布圖（速度區間-40 km/s到+120 km/s的累積）（國家天文臺供圖）
“電離氣體結構相當豐富，為銀河系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”。 韓金林說。
美國國家射電天文臺研究員Dana S. Balser認為： “這是迄今為止探測靈敏度最高的射電復合線巡天，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”。
“沒有額外使用寶貴的望遠鏡時間”
韓金林提到，銀河系星際介質中，磁場彌漫于整個星系，極難測量和研究。團隊依靠FAST的靈敏度優勢，新測量了134顆銀暈暗弱脈沖星的偏振和法拉第效應。結果顯示，銀暈磁場強度約為2微高斯。利用新測量的銀盤脈沖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。
FAST還做了針對星際無線電連續譜輻射特征的探測試驗，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只有300多個。
韓金林說：“FAST作為世界頂級的大射電望遠鏡，觀測時間極其寶貴。我們對銀河系逐點巡測、搜尋脈沖星過程中，順帶收集了數據，得到了銀河系氣體的高清圖像，沒有額外使用寶貴的望遠鏡時間”。
未來，韓金林還會繼續帶領平均年齡33歲的“王綬琯巡天突擊隊”繼續研究工作，努力巡測FAST可見的銀河區域，最終完成銀河2900平方度區域巡測。
韓金林（前排左五）領銜的“王綬琯巡天突擊隊”成員（國家天文臺供圖）
“我們這次選擇將高質量論文發表在中國自己的刊物上，后續我們還會矢志發揚已故天文學家王綬琯院士勇于探索的科學精神，持觀天利器、出重大成果。”韓金林說。
相關論文信息：
https://doi.org/10.1007/s11433-022-2040-8
https://doi.org/10.1007/s11433-022-2039-8
https://doi.org/10.1007/s11433-022-2033-2
https://doi.org/10.1007/s11433-022-2031-7