2011～2017年「銀河畫卷」巡天數據集

2011～2017年「銀河畫卷」巡天數據集
作者：逯登榮　孫繼先　楊哲睿　劉梁　楊戟
2018年6月26日

本作品收錄於《中國科學數據》

逯登榮, 孫繼先, 楊哲睿, 等. 2011～2017年「銀河畫卷」巡天數據集[J/OL]. 中國科學數據, 2018, 3(2). (2018-06-25). DOI: 10.11922/csdata.2018.0001.zh.

姊妹計劃: 數據項

摘要&關鍵詞

摘要：利用中國科學院紫金山天文台位於青海德令哈的13.7米毫米波望遠鏡及多波束超導成像頻譜儀，對銀河系進行12CO(J=1-0)、13CO(J=1-0)和C18O(J=1-0)三條分子譜線的巡天觀測。項目計劃對銀經範圍−10°≤L≤250°、銀緯範圍−5°≤B≤5°，約2600平方度的天區進行大範圍無偏巡測——即「銀河畫卷計劃」。本數據集介紹的就是其中2011～2017年所有觀測、預處理後的天文巡天數據，整個觀測範圍內基線噪聲（rms）整體分布均勻，12CO(J=1-0)基線噪聲約為0.5 K、13CO(J=1-0)和C18O(J=1-0)基線噪聲約為0.3 K，基本可以滿足天文科研要求。

關鍵詞：毫米波；巡天譜線數據；銀河繫結構

Abstract & Keywords

Abstract: Using a 13.7 m millimeter-wavelength telescope located in Delingha and a nine-beam Superconducting Spectroscopic Array Receiver (SSAR) system, the study performed 12CO (J=1–0), 13CO (J=1–0), and C18O (J=1–0) observations toward the Milky Way. The MWISP project (Milky Way Imaging Scroll Painting) is a large, unbiased survey toward the Galactic region of -10°≤L≤250° and -5°≤B≤5°, covering a part of about 2600 square-degrees. The dataset introduces pretreated survey data observed during 2011 and 2017. The rms noise level is relatively even across the whole observation region, which is about 0.5 K for 12CO (J=1–0) and 0.3 K for 13CO (J=1–0) and C18O (J=1–0). This sensitivity basically satisfies the requirements of astronomical research.

Keywords: millimeter wave; sky survey data; Galactic structure

數據庫（集）基本信息簡介

數據庫（集）名稱	2011～2017年「銀河畫卷」巡天數據集
數據作者	逯登榮、孫繼先、楊哲睿、劉梁、楊戟
通信作者	劉梁（liangliu@pmo.ac.cn）、楊戟（jiyang@pmo.ac.cn）
數據時間範圍	2011～2017年
空間分布	對整個銀河系平面±5度範圍內的CO同位素三條分子譜線大尺度巡天數據及科研人員特別感興趣區域的分子譜線數據
空間分辨率	30角秒
數據量	20 TB
數據格式	.bur，.fits
數據服務系統網址	www.radioast.nsdc.cn:81； http://www.sciencedb.cn/dataSet/handle/570
基金項目	中國科學院十二五信息化建設專項「科技數據資源整合與共享工程」項目(XXH12504-2-01)
數據庫（集）組成	本數據庫主要包括12CO(J=1-0)、13CO(J=1-0)和C18O(J=1-0)三條同位素分子譜線數據的巡天和局部感興趣的天區。巡天數據以天區為單元保存，容量約為20 TB。

Dataset Profile

Title	MWISP data (2011–2017)
Data corresponding author	Liu Liang (liangliu@pmo.ac.cn), Yang ji (jiyang@pmo.ac.cn)
Data authors	Lu Dengrong, Sun Jixian, Yang Zherui, Liu Liang, Yang Ji
Time range	2011–2017
Geographical scope	Galactic region of -10°≤L≤250° and -5°≤B ≤5°, covering a sky area of about 2600 square-degrees
Spatial resolution	30 arcsec
Data volume	20 TB
Data format	.bur，.fits
Data service system	<www.radioast.nsdc.cn:81>; <http://www.sciencedb.cn/dataSet/handle/570>
Sources of funding	The project of "integration and sharing of scientific and technological data resources" project of the Chinese Academy of Sciences in 12th Five-Year(XXH12504-2-01)
Dataset composition	This dataset consists of data of 12CO (J=1–0), 13CO (J=1–0), and C18O (J=1–0) observations toward the Milky Way. Data are stored in the unit of sky areas for the Galactic region of -10°≤L≤250° and -5°≤B ≤5°. It has a total data volume of 20 TB.

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量約占重子物質質量的1%。但由於它是恆星形成的場所，是宇宙中物質循環的重要介質，在銀河系乃至整個宇宙的演化中起着非常關鍵的作用。因此了解分子氣體的性質，如結構、分布、運動等，對研究宇宙起源以及星系起源和演化都至關重要。

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確地了解銀河系分子氣體的分布情況。13.7米望遠鏡在「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。該計劃就是藉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面積等幾方面的探測能力優勢，使得我們獲得系統的科學發現及全新的知識成為可能。

1 數據採集和處理方法

本數據集依託於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備。2010年在該望遠鏡上安裝了國家重大科研裝備「超導成像頻譜儀」並在國內首次自行研製應用OTF觀測模式，對整個銀河系平面±5度範圍內的CO同位素三條分子譜線開始大尺度巡天觀測，到目前為止已經觀測完成約1250平方度的巡天工作。本數據集包括2011年開始到2017年所有觀測的CO同位素三條分子譜線數據。

13.7米望遠鏡在分子譜線觀測中，採用標準的斬波輪校準方法，得到的溫標是修正了大氣吸收及歐姆損耗後的「天線溫度」，也就是文獻中的TA* 。對於星際分子雲展源，通常這個溫標要進一步改正望遠鏡的主波束效率ηmb，得到與同類望遠鏡可比的「觀測輻射溫度」，即TR* 。這個溫標代表望遠鏡的理想主波束與源空間亮溫度分布的卷積。本數據集中已經對原始數據按照 ${\mathrm {T} }_{\mathrm {R} }^{\mathrm {*} }={\frac {{\mathrm {T} }_{\mathrm {A} }^{\mathrm {*} }}{{\mathrm {\eta } }_{\mathrm {m} \mathrm {b} }}}$ 的關係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提出的天線面板結構誤差效率公式（1）^[1]，對不同天線俯仰處測試的天線主波束效率進行擬合的結果。^[2]

$\mathrm {f} \left(el\right)=\mathrm {A} \times {\mathrm {e} }^{-{\left(4\times {\frac {\mathrm {\pi } }{4}}\right)}^{2}\times \left\{{\mathrm {h} \mathrm {z} }^{2}\times {\left[\mathrm {sin} \left(el\right)-\mathrm {s} \mathrm {i} \mathrm {n} \left({\mathrm {e} \mathrm {l} }_{0}\right)\right]}^{2}+{\mathrm {h} \mathrm {h} }^{2}\times {\left[\mathrm {cos} \left(el\right)-\mathrm {c} \mathrm {o} \mathrm {s} \left({\mathrm {e} \mathrm {l} }_{0}\right)\right]}^{2}\right\}}$ （1）

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構誤差，hh為天線面板在地平方向的結構誤差。

2 數據樣本描述

本數據包括bur文件和fits文件^[3]^[4]^[5]兩種格式。bur文件只能用IRAM軟件組開發的Gildas/CLASS軟件包^[6]讀取，並處理、分析作進一步的研究。本數據集中bur文件以source_MMddhhmmU[L].bur形式命名存儲，其中source為觀測目標的名稱，MM、dd、hh、mm分別為觀測時的月、日、時、分，U [L]代表上[下]邊帶觀測的結果，如對源名為0845+025的目標在12月31日19:23開始進行了觀測，則對應的文件名被命名為0845+025_12311923U.bur和0845+025_12311923L.bur。一般情況下，同一個目標，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域數據的信噪比。

fits文件是將觀測的所有同一源名的bur文件處理、疊加合併後生成的具有國際統一格式的數據文件，表1為頭文件信息。該格式文件是國際通用的，可以使用有更多數據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)的觀測數據，每個文件大小為514 MB。12CO(J=1-0)對應的fits文件由觀測到的所有source_MmddhhmmU.bur文件處理合併得到的，而13CO(J=1-0)和C18O(J=1-0)對應的fits文件由所有source_MmddhhmmL.bur文件處理合併得到的。

以觀測目標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、合併後生產了對應的3個fits文件，即0845+025U.fits、0845+025L.fits和0845+025L2.fits，它們分別對應12CO(J=1-0)、13CO(J=1-0)和C18O(J=1-0)三條CO同位素分子譜線。

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圖1 0845+025對應的bur文件

表1 fits文件頭部基本信息

參數名稱	參數值	單位	注釋
SIMPLE	T
BITPIX	-32		指明用於表示每一個像元值的位數
NAXIS	4		指明圖象里坐標軸數
NAXIS1	91		X方向（RA）像元數
NAXIS2	91		Y方向（Dec）像元數
NAXIS3	16384		頻譜儀通道數，也就是組成一條譜線的數據點數
NAXIS4	1
DATAMIN	-2.09E+03	K	數組中最小值
DATAMAX	9.10E+03	K	數組中最大值
BUNIT	K (Ta*)	K	強度
CTYPE1	GLON-GLS		RA=CRVAL1+(i-CRPIX1)*CDELT1/COS(Dec)
CRVAL1	8.55E+01	度	X軸參考位置
CDELT1	-8.33E-03	度	X軸坐標增量
CRPIX1	4.60E+01		圖象X軸的像素位置
CROTA1	0.00E+00
CTYPE2	GLAT-GLS		Dec=CRVAL2+(i-CRPIX2)*CDELT2
CRVAL2	5.00E+00	度	Y軸參考位置
CDELT2	8.33E-03	度	Y軸坐標增量
CRPIX2	4.60E+01		圖象Y軸的像素位置
CROTA2	0.00E+00
CTYPE3	VELOCITY		V=CRVAL3+(I-CRPIX3)*CDELT3
CRVAL3	0.00E+00	m/s	速度參考位置
CDELT3	1.59E+02	m/s	速度軸坐標增量
CRPIX3	9.00E+03		速度軸參考點的位置
CROTA3	0.00E+00
CTYPE4
CRVAL4	1.00E+00
CDELT4	1.00E+00
CRPIX4	1.00E+00
CROTA4	0.00E+00
OBJECT	0855+050		目標名
GLAT	8.55E+01	度	銀經參考位置
GLON	5.00E+00	度	銀緯參考位置
EQUINOX	0.00E+00		曆元
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			結束標示

3 數據質量控制和評估

針對譜線個別通道數據異常、譜線基線不平整、干擾信號等問題，我們採取了一系列的算法及措施，以保證數據質量。對於壞的固定通道，用前後相鄰的2～3個通道值的平均來代替該固定通道的值。對於隨機出現的壞通道，如某個通道值大於300 K或小於−300 K，或某個通道比前後的通道都大於50 K或都小於50 K，用旁邊通道的值替換該通道的值。程序代碼如下：

Dl=ry[i] - ry[i-1];

Dr=ry[i] - ry[i+1];

if(((Dl > 50.0 )&&(Dr > 50.0 )) || ((Dl < -50.0 )&&(Dr < -50.0 )) || fabs(ry[i])>300)

   ry[i] =(ry[i+1] + ry[i-1])/2.0 ;

在觀測過程中，有時出現個別數據基線不平或者噪聲偏大的數據（圖2），對此我們會和理論公式（2）計算的rms進行比較，當噪聲大於理論值時，該譜線數據將會被剔除。

$\mathrm {r} \mathrm {m} \mathrm {s} =0.00236\times {\frac {{T}_{sys}}{\sqrt {t}}}$ （2）

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

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圖2 基線不平或者噪聲偏大的數據

計算機通過以上步驟自動判斷剔除的基礎上，還安排了專門的人員，對計算機運行處理後的數據結果進一步進行確認、查看，保證最後入庫數據的噪聲滿足12CO(J=1-0)小於等於0.5 K，13CO(J=1-0)和C18O(J=1-0)小於等於0.3 K，且整個區域噪聲水平均勻分布。

4 數據價值

目前國際上最完整的巡天觀測是哥倫比亞巡天，它利用兩台1.2米望遠鏡對銀道面進行了12CO(J=1-0)譜線（115GHz）的無偏巡測^[6]，其結果在國際天文界產生了重大影響。遺憾的是，該巡天空間分辨率不高，並且有些區域並非完備採樣，很可能會遺漏一些小的結構；另外它只進行了12CO(J=1-0)的觀測，由於12CO(J=1-0)在高密度區域光深較大，可能出現自吸收的情形，使得對氣體整體質量的估算出現偏差（有時誤差可能大至一個量級），望遠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、更細緻的成分。另一個比較有影響的巡天計劃是五大學巡天（FCRAO），該巡天望遠鏡口徑是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。銀河畫卷巡天藉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面積等幾方面的探測能力優勢,使得我們獲得系統的科學發現及全新的知識成為可能（圖3）。

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圖3 哥倫比亞1.2米、FCRAO14米及13.7米觀測結果比較

致謝

在本文撰寫過程中，得到了我單位王敏、銀河畫卷組各位老師級同學和中國科學院計算機網絡中心科學數據中心的支持與幫助，在此表示衷心的感謝。

參考文獻

↑ VON HOERNER S, WONG W Y. Gravitational Deformation and Astigmatism of Tiltable Radio Telescopes . IEEE Trans[J]. 1975, AP-23: 689–695.
↑ ULICH B L, HAAS R W. Absolute calibration of millimeter-wavelength spectral lines[J]. The Astrophysical Journal Supplement Series, 1976, 30: 247.
↑ 柯大榮，趙永恆. 一種圖象傳輸系統及其FITS數據基本格式[J]. 北京: 現代圖書情報技術, 1994.
↑ HANISCH R J; FARRIS A, et al. Definition of the Flexible Image Transport System (FITS)[J]. Astronomy & Astrophysics, 2001, 376: 359.
↑ WELLS D C; GREISEN E W, et al. FITS: A Flexible Image Transport System[J]. Astronomy & Astrophysics Supplement Series, 1981, 44: 363W.
^ ^6.0 ^6.1 DAMET M, HARTMANN D,THADDEUS P. The Milky Way in Molecular Clouds: A New Complete CO Survey[J]. The Astrophysical Journal, 2001, 547: 792D.

數據引用格式

逯登榮, 孫繼先, 楊哲睿, 等. 2011～2017年「銀河畫卷」巡天數據集[DB/OL]. Science Data Bank, 2018. (2018-03-20). DOI: 10.11922/sciencedb.570.

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[ref2-1] VON HOERNER S, WONG W Y. Gravitational Deformation and Astigmatism of Tiltable Radio Telescopes . IEEE Trans[J]. 1975, AP-23: 689–695.

[ref1-2] ULICH B L, HAAS R W. Absolute calibration of millimeter-wavelength spectral lines[J]. The Astrophysical Journal Supplement Series, 1976, 30: 247.

[ref5-3] 柯大榮，趙永恆. 一種圖象傳輸系統及其FITS數據基本格式[J]. 北京: 現代圖書情報技術, 1994.

[ref4-4] HANISCH R J; FARRIS A, et al. Definition of the Flexible Image Transport System (FITS)[J]. Astronomy & Astrophysics, 2001, 376: 359.

[ref3-5] WELLS D C; GREISEN E W, et al. FITS: A Flexible Image Transport System[J]. Astronomy & Astrophysics Supplement Series, 1981, 44: 363W.

[ref6-6] 6.0 ^6.1 DAMET M, HARTMANN D,THADDEUS P. The Milky Way in Molecular Clouds: A New Complete CO Survey[J]. The Astrophysical Journal, 2001, 547: 792D.

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