抬头仰望，千亿恒星织就的银河横亘在夜空。在这广袤的星际空间中，充满了稀薄的星际介质。这些银河系的“气体”长啥样？近日，国家天文台研究员韩金林领导的科研团队，利用“中国天眼”（FAST）揭示了银河系星际介质前所未见的“高清细节”。
他们在搜寻银河系内脉冲星的过程中，同步记录了星际介质的谱线数据，揭示出银河系中性氢气体的精致结构和电离气体的弥漫特征。同时，他们还测量到大量暗弱脉冲星的法拉第效应，新证认出两例超新星爆炸的遗迹。这些研究结果对理解银河系内的星际生态循环有重要意义。系列论文于12月10日作为特别专题发表在《中国科学：物理学 力学 天文学》。
“可以说，没有FAST，很难开展如此大范围的星际磁场探测”。韩金林表示。
专题主编、中科院院士景益鹏在编者按指出：“高灵敏度FAST观测揭示了银河系前所未有的细节，所发表的中性氢和电离氢数据库可以用于探索银河系星际气体的许多特征，为世界范围内的天文学家提供宝贵的数据资源”。
FAST成为研究“利器”
作为人类在浩瀚宇宙中的家园，银河系的结构和组成依然有很多谜团。在这里，稠密的氢原子汇聚冷却，形成氢分子云团，在高密度云团核心中孕育出新一代恒星。恒星由生到死、不断演化，其中一些最终爆炸成为超新星，产生超新星遗迹和脉冲星。
爆炸激波可以压缩星际空间的气体，将电子加速到接近光速，这些高速电子在星际磁场中运动，辐射出微弱的无线电波。
作为目前世界上灵敏度最高的单口径射电望远镜，FAST配备了高灵敏度的L波段19波束制冷接收机，它成为发现脉冲星、研究银河系星际介质的“利器”。
作为FAST重大优选项目之一，2019年，韩金林研究团队启动了银道面脉冲星快照（GPPS）巡天，至今不到三年时间已发现500多颗脉冲星，亮度比之前发现的脉冲星暗弱一个量级。
他们在搜寻脉冲星的同时，同步记录了星际气体辐射的谱线数据。这些数据兼具高灵敏度、高频谱分辨率、高空间分辨率的特征，是研究银河系结构和星际生态循环极其宝贵的资源。
获取星际介质高清图像
获得数据后，更为重要的是对这些数据进行分析处理。对第一批GPPS巡天谱线数据进行处理后，韩金林团队发布了银河系星际空间原子气体、电离气体、磁场以及无线电辐射的最新研究结果。
在第一次数据释放中，FAST探测了银经33°至55°，银纬±2°之间共88平方度天区的中性氢原子气体的天空分布图。
FAST揭示的银河星际氢原子气体分布图（速度区间-150 km/s到+150 km/s的累积）（国家天文台供图）
“虽然精细校准还在进行之中，初步结果已经是国际上迄今为止灵敏度最高的氢原子气体探测。结果展示了氢原子气体分布前所未有的细节特征，甚至探测到距离银河系中心6万光年之外、其他望远镜都看不清的小小云团，这为银河系的气体动力学研究和旋臂结构等前沿课题提供高质量观测数据集。”韩金林说。
澳大利亚塔斯马尼亚大学、美国明尼苏达大学名誉教授John M. Dickey对此表示：“与之前的所有中性氢（HI）巡天相比，GPPS巡天谱线测量在角分辨率和灵敏度上的提高令人印象深刻。”
星际空间电离气体是银河系中最后一个尚未深究的主要组分，团队还处理了GPPS巡天同步记录谱线数据中的氢原子复合线，得到了与氢原子同一天区银河系星际空间的电离气体的分布，揭示了由明亮恒星电离的高亮度区域和未知来源的弥漫气体。
FAST揭示的银河系星际空间电离气体分布图（速度区间-40 km/s到+120 km/s的累积）（国家天文台供图）
“电离气体结构相当丰富，为银河系内气体的生态循环和恒星形成研究提供了不可或缺的难得数据集”。 韩金林说。
美国国家射电天文台研究员Dana S. Balser认为： “这是迄今为止探测灵敏度最高的射电复合线巡天，因为具有足够高的空间分辨率，可以将弥漫的电离气体成分与HII区分辨开。对弥漫气体而言，FAST这样的大望远镜可以做最佳探测”。
“没有额外使用宝贵的望远镜时间”
韩金林提到，银河系星际介质中，磁场弥漫于整个星系，极难测量和研究。团队依靠FAST的灵敏度优势，新测量了134颗银晕暗弱脉冲星的偏振和法拉第效应。结果显示，银晕磁场强度约为2微高斯。利用新测量的银盘脉冲星的法拉第效应数据，还得到了银河更遥远区域内磁场方向反转的证据。
FAST还做了针对星际无线电连续谱辐射特征的探测试验，团队利用FAST对5°× 7°天区进行了扫描成像。结果确认了两个大的暗弱无线电辐射结构是超新星爆炸产生的壳层遗迹，其中一个距离太阳很近，仅有约1400光年。到目前为止，人类已知的超新星遗迹仅仅只有300多个。
韩金林说：“FAST作为世界顶级的大射电望远镜，观测时间极其宝贵。我们对银河系逐点巡测、搜寻脉冲星过程中，顺带收集了数据，得到了银河系气体的高清图像，没有额外使用宝贵的望远镜时间”。
未来，韩金林还会继续带领平均年龄33岁的“王绶琯巡天突击队”继续研究工作，努力巡测FAST可见的银河区域，最终完成银河2900平方度区域巡测。
韩金林（前排左五）领衔的“王绶琯巡天突击队”成员（国家天文台供图）
“我们这次选择将高质量论文发表在中国自己的刊物上，后续我们还会矢志发扬已故天文学家王绶琯院士勇于探索的科学精神，持观天利器、出重大成果。”韩金林说。
相关论文信息：
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
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