作者：王善欽

超新星是大質(zhì)量恒星或致密的白矮星爆炸后形成的壯觀現(xiàn)象，是天文學(xué)的最重要的研究對(duì)象之一。

在天文望遠(yuǎn)鏡被發(fā)明之前，人類記載了10次左右的超新星爆發(fā)。它們都發(fā)生于銀河系內(nèi)。1609年，伽利略（Galileo Galilei，1564-1642）發(fā)明了望遠(yuǎn)鏡，但人類卻再也沒有觀測(cè)到銀河系內(nèi)爆發(fā)的超新星。

1885年8月，天文學(xué)家觀測(cè)到在仙女座星系（M31）內(nèi)爆發(fā)的一顆超新星。這是人類自1604年以來觀測(cè)到的第一顆超新星，也是第一顆被發(fā)現(xiàn)的銀河系外的超新星。

此后直到1935年，人類僅發(fā)現(xiàn)19顆超新星，茲維基（Fritz Zwicky，1898-1974）發(fā)現(xiàn)了其中一顆。

寬場(chǎng)觀測(cè)模式的崛起

1930年，在德國(guó)漢堡天文臺(tái)工作的施密特（Bernhard Schmidt，1879-1935）發(fā)明了一款全新的望遠(yuǎn)鏡。這款望遠(yuǎn)鏡的前端增加一個(gè)折射鏡片（修正鏡），可以大大提高望遠(yuǎn)鏡的觀測(cè)視野（視場(chǎng)）。這類望遠(yuǎn)鏡被稱為“施密特望遠(yuǎn)鏡”。

茲維基得知消息后，開始呼吁正在修建的帕洛瑪天文臺(tái)建設(shè)施密特望遠(yuǎn)鏡。1936年，帕洛瑪天文臺(tái)安裝了一個(gè)施密特望遠(yuǎn)鏡，其修正鏡與球面鏡口徑分別為0.46米與0.61米；它的視場(chǎng)直徑達(dá)到8.75度，為滿月直徑（約29分）的18倍；它單次觀測(cè)的天空面積相當(dāng)于滿月面積的320倍。

茲維基利用這臺(tái)0.46米望遠(yuǎn)鏡反復(fù)掃描大片天區(qū)中的眾多星系，尋找超新星。1937-1939年之間被人類發(fā)現(xiàn)的11顆超新星都由茲維基發(fā)現(xiàn)。

1948年，帕洛瑪天文臺(tái)建成了“帕洛瑪施密特”望遠(yuǎn)鏡，它后來被改名為奧辛（Samuel Oschin）望遠(yuǎn)鏡。它的修正鏡與球面鏡的直徑分別為1.22米與1.83米；它的視場(chǎng)相當(dāng)于190個(gè)滿月。

1949-1958，天文學(xué)家們用奧辛望遠(yuǎn)鏡執(zhí)行“帕洛瑪天文臺(tái)巡天”（POSS I），主要目標(biāo)是探測(cè)大量星系與星系團(tuán)，得到宇宙中物質(zhì)分布的結(jié)構(gòu)。

1959-1975年，茲維基領(lǐng)導(dǎo)團(tuán)隊(duì)用奧辛望遠(yuǎn)鏡執(zhí)行了“帕洛瑪超新星搜尋”（PSS）項(xiàng)目。PSS項(xiàng)目共發(fā)現(xiàn)178顆超新星。其中的36顆超新星由茲維基在1963-1974年發(fā)現(xiàn)。

在PSS項(xiàng)目執(zhí)行期間的1968-1974年間，茲維基在POSS I的底片中發(fā)現(xiàn)了70顆超新星，使其累計(jì)發(fā)現(xiàn)的超新星達(dá)到123顆。他保持的個(gè)人發(fā)現(xiàn)超新星的世界紀(jì)錄直到2009年才被打破。

比個(gè)人發(fā)現(xiàn)的眾多超新星更重要的是，茲威基開創(chuàng)了大視場(chǎng)巡天觀測(cè)模式。這個(gè)模式影響深遠(yuǎn)，直到現(xiàn)在仍然是搜尋超新星的主流模式。

1985-2000年，奧辛望遠(yuǎn)鏡執(zhí)行第二次“帕洛瑪天文臺(tái)巡天”（POSS II）項(xiàng)目，發(fā)現(xiàn)了幾百顆超新星。其中，穆勒（Jean Mueller）在POSS II與POSS I的底片中發(fā)現(xiàn)了106顆超新星，使其長(zhǎng)期保持個(gè)人發(fā)現(xiàn)超新星紀(jì)錄的第2名。

自動(dòng)化巡天模式的崛起

從20世紀(jì)80年代中期開始，自動(dòng)化超新星搜尋模式開始崛起。這種模式用計(jì)算機(jī)自動(dòng)開關(guān)望遠(yuǎn)鏡的圓頂、自動(dòng)將望遠(yuǎn)鏡逐次轉(zhuǎn)向不同的觀測(cè)目標(biāo)，大大提高了超新星搜尋的效率。此外，自動(dòng)搜尋模式還常常采用電荷耦合器件（CCD）成像，其量子效率遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)的照相底版。

自動(dòng)巡天模式獲得成功的早期代表是伯克利自動(dòng)超新星搜尋、Leuschner天文臺(tái)超新星巡天、北京天文臺(tái)超新星巡天與Lick天文臺(tái)超新星巡天。

伯克利自動(dòng)超新星搜尋

伯克利自動(dòng)超新星搜尋（BASS）項(xiàng)目由勞倫斯伯克利實(shí)驗(yàn)室（“勞倫斯伯克利國(guó)家實(shí)驗(yàn)室”的前身）、空間科學(xué)實(shí)驗(yàn)室與加州大學(xué)伯克利分校物理系的帕穆爾特（Saul Perlmutter）領(lǐng)銜，使用的位于Leuschner天文臺(tái)的望遠(yuǎn)鏡。

該天文臺(tái)有兩臺(tái)望遠(yuǎn)鏡，分別是1954年建成的0.5米口徑的望遠(yuǎn)鏡與1968年11月建成的0.76米口徑的望遠(yuǎn)鏡。BASS使用0.76米望遠(yuǎn)鏡搜尋超新星。BASS采用的自動(dòng)觀測(cè)與成像分析模式在當(dāng)時(shí)是非常領(lǐng)先的。1986-1991年，BASS共發(fā)現(xiàn)20顆超新星數(shù)目，其中17顆為其首先發(fā)現(xiàn)。

Leuschner天文臺(tái)超新星巡天

1991年12月，加州大學(xué)伯克利分校天文系的里士滿（Michael Richmond）、特拉菲斯（Richard Treffers）與菲利彭科（Alexei Filippenko）用位于Leuschner天文臺(tái)的“伯克利自動(dòng)成像望遠(yuǎn)鏡”（BAIT）尋找超新星，執(zhí)行“Leuschner天文臺(tái)超新星巡天”（第一代LOSS）項(xiàng)目。

經(jīng)過半年的校正，第一代LOSS在1992年夏天開始正常運(yùn)行，到1994年底發(fā)現(xiàn)了7顆超新星，然后項(xiàng)目停止，設(shè)備轉(zhuǎn)移到另外的地方執(zhí)行新的任務(wù)。

北京天文臺(tái)超新星巡天

從1994年開始，北京天文臺(tái)（BAO，中國(guó)國(guó)家天文臺(tái)前身）的李衛(wèi)東、胡景耀、趙昭旺、裘予雷、喬琪源等天文學(xué)家改造了北京天文臺(tái)的1臺(tái)0.6米望遠(yuǎn)鏡及其圓頂?shù)挠布c控制軟件，圖像處理與超新星候選體測(cè)出軟件也被應(yīng)用在這個(gè)望遠(yuǎn)鏡上。改造后的望遠(yuǎn)鏡視場(chǎng)為0.5度，對(duì)應(yīng)的視場(chǎng)面積與滿月差不多大，可同時(shí)觀測(cè)到幾個(gè)星系。搭配的CCD相機(jī)的像素為10萬。1996年3月，北京天文臺(tái)超新星巡天（BOSS）啟動(dòng)。

從1996年4月10日發(fā)現(xiàn)了第一顆超新星SN 1996W到1996年末，BOSS共發(fā)現(xiàn)6顆超新星，其中5顆為BOSS最先發(fā)現(xiàn)，發(fā)現(xiàn)數(shù)目為年度第7。1997與1998年，BOSS發(fā)現(xiàn)的超新星數(shù)目分別是15（年度第4）與8（年度第7）。

1996-1998年，BOSS共發(fā)現(xiàn)29顆超新星，位居那3年發(fā)現(xiàn)總數(shù)的第4，僅次于HZT發(fā)現(xiàn)的90顆、SCP發(fā)現(xiàn)的81顆與Stromlo山天文臺(tái)發(fā)現(xiàn)的46顆。1999-2003，BAO不再以BOSS為項(xiàng)目名稱，但依然以BAO為名發(fā)現(xiàn)了17顆超新星。

BOSS/BAO發(fā)現(xiàn)的超新星成為那幾年國(guó)際上后續(xù)觀測(cè)的重要對(duì)象。哈佛大學(xué)-斯密森天文臺(tái)（CfA）領(lǐng)銜的CfA1項(xiàng)目對(duì)1993-1996年間被發(fā)現(xiàn)的22顆Ia型超新星執(zhí)行后續(xù)觀測(cè)，其中2顆由BOSS發(fā)現(xiàn)。此后，CfA執(zhí)行CfA2任務(wù)，對(duì)1997-2001年被發(fā)現(xiàn)的44顆Ia型超新星進(jìn)行后續(xù)觀測(cè)，其中11顆由BAO發(fā)現(xiàn)，占總數(shù)的25%。

Lick天文臺(tái)超新星巡天

1995年，LOSS小組將相機(jī)與其他裝置移到Lick天文臺(tái)上新安裝的0.76米Katzman自動(dòng)成像望遠(yuǎn)鏡（KAIT）上面，并于1996年開始執(zhí)行Lick天文臺(tái)超新星巡天（LOSS）項(xiàng)目，但在那一年顆粒無收。1997年，LOSS觀測(cè)僅觀測(cè)到一顆超新星。

圖：LOSS項(xiàng)目使用的KAIT（上）及其圓頂（下）。圖片來源：王善欽

1998年，到LOSS小組工作的李衛(wèi)東改進(jìn)了LOSS的軟件，使其異軍突起，在當(dāng)年發(fā)現(xiàn)了20顆超新星，位居年度第4。此后李衛(wèi)東一直負(fù)責(zé)KAIT的運(yùn)行，直到其不幸英年早逝。

2000年-2003年，LOSS與Tenagra天文臺(tái)合作形成LOTOSS小組。1999-2011年，LOSS發(fā)現(xiàn)的超新星數(shù)目分別是40（年度第1）、38（年度第1）、68（年度第2）、82（年度第1）、95（年度第1）、83（年度第1）、82（年度第2）、84（年度第1）、69（年度第3）、77（年度第3）、54（年度第3）、51（年度第4）、37（年度第3）。至2010年，LOSS累計(jì)發(fā)現(xiàn)732顆超新星。

LOSS觀測(cè)到的近距離超新星迅速成為那些年其他望遠(yuǎn)鏡后續(xù)觀測(cè)的重要對(duì)象。CfA2執(zhí)行期間，被后續(xù)觀測(cè)的44個(gè)Ia型超新星中有20個(gè)是LOSS發(fā)現(xiàn)的，達(dá)到45%。CfA3后續(xù)觀測(cè)的于2001-2008年被發(fā)現(xiàn)的185顆近距離Ia型超新星中的46%由LOSS/ LOTOSS發(fā)現(xiàn)。

KAIT上面于1998年7月被更換上去的CCD的視場(chǎng)是6.8角分×6.8角分，大約是滿月區(qū)域的0.05倍，是窄視場(chǎng)CCD。

BASS、BOSS/BAO與LOSS的成功，是窄視場(chǎng)模式在超新星巡天領(lǐng)域?qū)捯晥?chǎng)模式的暫時(shí)反超。反超的主要原因在于CCD相機(jī)與程序控制自動(dòng)觀測(cè)模式的使用。因此，當(dāng)寬視場(chǎng)模式的望遠(yuǎn)鏡也采用CCD相機(jī)與程序控制自動(dòng)觀測(cè)模式后，其巡天觀測(cè)效率就會(huì)迅速反超窄視場(chǎng)模式的望遠(yuǎn)鏡。

大口徑、大視場(chǎng)望遠(yuǎn)鏡巡天的強(qiáng)勢(shì)反超

從2000年開始，大視場(chǎng)巡天模式開始重新成為超新星圍獵運(yùn)動(dòng)中的優(yōu)勝者。這個(gè)時(shí)期的大視場(chǎng)巡天充分結(jié)合了自動(dòng)觀測(cè)、CCD成像、成熟的數(shù)據(jù)處理流程，充分發(fā)揮出大視場(chǎng)巡天的優(yōu)越性。特別是一些兼具大視場(chǎng)與相對(duì)大口徑（口徑超過1米）的望遠(yuǎn)鏡，更具備絕對(duì)優(yōu)勢(shì)。

斯隆數(shù)字巡天、近距離超新星工廠與卡特琳娜實(shí)時(shí)暫現(xiàn)源巡天是這類大口徑、大視場(chǎng)巡天模式取得優(yōu)勢(shì)的早期代表。NSNF的信息已在《百年征途：人類如何發(fā)現(xiàn)暗能量？》一文中被介紹，此處介紹其他幾個(gè)。

斯隆數(shù)字巡天

斯隆數(shù)字巡天（Sloan Digital Sky Survey，SDSS）于2000年啟動(dòng)，它以其在各類星系光譜拍攝領(lǐng)域中的杰出成就而聞名，但在超新星領(lǐng)域也非常成功。SDSS的口徑為2.5米。它的視場(chǎng)也很大，達(dá)到約6平方度，相當(dāng)于30個(gè)滿月面積。它在2000年只發(fā)現(xiàn)了6顆超新星，但在2001年，它發(fā)現(xiàn)21顆超新星，位居年度第4。

2005、2006與2007年，SDSS分別發(fā)現(xiàn)了144、232與224顆超新星，奪得三連冠。這3年時(shí)間內(nèi)，LOSS分別獲得年度第2、第2與第3。SDSS從2000年到2011年，共發(fā)現(xiàn)678顆超新星。如果算上使用SDSS發(fā)現(xiàn)超新星的其他項(xiàng)目的發(fā)現(xiàn)，SDSS發(fā)現(xiàn)的超新星數(shù)目已超過1000。

與SDSS密切相關(guān)的一個(gè)項(xiàng)目是1994年就開始執(zhí)行的星系動(dòng)物園（Galaxy Zoo）項(xiàng)目。該項(xiàng)目致力于星系形態(tài)分類。2000年開始，該項(xiàng)目利用SDSS得到的數(shù)據(jù)展開工作。1994-2019年，星系動(dòng)物園共發(fā)現(xiàn)279顆超新星。

帕洛瑪任務(wù)與拉西拉任務(wù)

2000-2001年，一度獨(dú)占鰲頭但暫時(shí)落后的奧辛望遠(yuǎn)鏡也被改造成自動(dòng)觀測(cè)+CCD成像模式。

2003-2008年，奧辛望遠(yuǎn)鏡與QUEST相機(jī)，執(zhí)行“帕洛瑪任務(wù)”（Palomar-Quest，PQ），致力于發(fā)現(xiàn)大量類星體、引力透鏡現(xiàn)象、超新星等現(xiàn)象。QUEST相機(jī)的視場(chǎng)為8.7平方度，相當(dāng)于45個(gè)滿月面積。在任務(wù)期間，PQ發(fā)現(xiàn)了幾十顆超新星。

此外，從2003年開始，奧辛望遠(yuǎn)鏡的45%的觀測(cè)時(shí)間還被分配給近距離超新星工廠項(xiàng)目，成為后者發(fā)現(xiàn)超新星的主力設(shè)備。

PQ結(jié)束后，QUEST相機(jī)被卸下來并安裝到ESO位于拉西拉（La Silla）的1米望遠(yuǎn)鏡上，于2009年9月開始執(zhí)行“拉西拉任務(wù)”（La Silla-QUEST，LSQ）。LSQ項(xiàng)目累計(jì)發(fā)現(xiàn)573顆超新星。其中，2012-2014年，LSQ每年發(fā)現(xiàn)的超新星數(shù)目分別為176（年度第3）、135（年度第5）與172（年度第4）。

卡特琳娜實(shí)時(shí)暫現(xiàn)源巡天

卡特琳娜實(shí)時(shí)暫現(xiàn)源巡天（Catalina Real-time Transient Survey，CRTS）項(xiàng)目自身是卡特琳娜巡天（Catalina Sky Survey，CSS）的子項(xiàng)目：CRTS使用CSS得到的數(shù)據(jù)，從中發(fā)現(xiàn)超新星。

CSS使用口徑分別為1.5米、0.68米與0.5米的3臺(tái)望遠(yuǎn)鏡執(zhí)行巡天任務(wù)，以觀測(cè)近地小行星為主要任務(wù)，因此也采用大視場(chǎng)模式。1.5米與0.68米望遠(yuǎn)鏡分別位于亞利桑那州卡特琳娜山脈的Lemmon山與Bigelow山，它們的視場(chǎng)分別是5平方度與19.4平方度，CCD像素都是1.11億。0.5米望遠(yuǎn)鏡位于澳大利亞Siding泉天文臺(tái)，視場(chǎng)是4.2平方度。3臺(tái)巡天望遠(yuǎn)鏡每晚上可以掃描2000平方度的天空。2013年，0.5米望遠(yuǎn)鏡因?yàn)槭ソ?jīng)費(fèi)而停止運(yùn)作。

2007年，CRTS發(fā)現(xiàn)了21顆超新星(年度第7)。2008年，CRTS發(fā)現(xiàn)了123顆超新星（年度第2），僅次于NSNF發(fā)現(xiàn)的155顆。2009年，NSNF項(xiàng)目停止，CRTS在2009-2013年發(fā)現(xiàn)的超新星數(shù)目分別是188、220、391、376與410，實(shí)現(xiàn)5連冠。

從2014年到2018年，CRTS每年發(fā)現(xiàn)的超新星的數(shù)目分別是305（年度第2）、267（年度第2）、349（年度第4）、528（年度第5）、482（年度第5），依然穩(wěn)居前5名。2019-2021，CRTS進(jìn)入衰落期，發(fā)現(xiàn)的數(shù)目分別為73（年度第10）、10與2。

全景巡天望遠(yuǎn)鏡和快速反應(yīng)系統(tǒng)（泛星計(jì)劃）

2008年12月，全景巡天望遠(yuǎn)鏡和快速反應(yīng)系統(tǒng)（Panoramic Survey Telescope And Rapid Response System，縮寫為Pan-STARRS，進(jìn)一步縮寫為PS）啟動(dòng)。在第一個(gè)階段（PS1），它只有1臺(tái)望遠(yuǎn)鏡；到第二個(gè)階段（PS2），它擁有2臺(tái)幾乎一樣的望遠(yuǎn)鏡。

PS的望遠(yuǎn)鏡的口徑為1.8米，這使它（們）可以更容易觀測(cè)到更遠(yuǎn)的超新星。它的視場(chǎng)是7.0平方度，約為滿月視面積的37倍。2010年5月，PS完全運(yùn)行，發(fā)現(xiàn)57顆超新星（年度第3），從2011-2012年，PS在超新星領(lǐng)域默默無聞。然而，2013年，PS1發(fā)現(xiàn)了380顆超新星，一舉成為亞軍，且僅比冠軍CRTS少30顆。

2014-2017年，PS每年發(fā)現(xiàn)的超新星數(shù)目是712、1989、3926與3350，獲得四連冠。2018-2021年，它發(fā)現(xiàn)的超新星數(shù)目分別為1952、4692、6719與6758，一直穩(wěn)居年度第2。

蓋亞衛(wèi)星

蓋亞（Gaia）衛(wèi)星以測(cè)量銀河系內(nèi)恒星的精確位置與速度等重要信息為目標(biāo)，但它同時(shí)是一名出色的超新星獵手。它的主鏡面并不是規(guī)則的圓形，而是1.45米×0.5米的鏡片，其采光面積為0.7平方米，等價(jià)于口徑1米的圓形主鏡。

2014-2021年，蓋亞每年觀測(cè)到的超新星數(shù)目分別為91（年度第6）、111（年度第7）、1045（年度第2）、1603（年度第2）、1320（年度第4）、969（年度第4）、1004（年度第4）、918（年度第4）。

王者歸來：帕洛瑪暫現(xiàn)源工廠（PTF）與茲維基暫現(xiàn)源設(shè)備（ZTF）

2008年，QUEST相機(jī)被卸下，執(zhí)行了帕洛瑪任務(wù)與近距離超新星工廠的奧辛望遠(yuǎn)鏡開始被用于執(zhí)行新的任務(wù)：帕洛瑪暫現(xiàn)源工廠與茲威基暫現(xiàn)源設(shè)備。

帕洛瑪暫現(xiàn)源工廠

2009年3月，天文學(xué)家利用奧辛望遠(yuǎn)鏡執(zhí)行帕洛瑪暫現(xiàn)源工廠（The Palomar Transient Factory，PTF）項(xiàng)目。PTF使用的相機(jī)的視場(chǎng)是7.8平方度，約為滿月視面積的41倍。2013年，PTF團(tuán)隊(duì)升級(jí)了制冷系統(tǒng)、修正鏡與軟件，使其成為“中等帕洛瑪暫現(xiàn)源工廠”（The intermediate Palomar Transient Factory，iPTF）。

2009年，剛投入運(yùn)行的PTF就發(fā)現(xiàn)了94顆超新星（年度第2），僅次于CRTS。從2010-2017年，PTF/iPTF每年發(fā)現(xiàn)的超新星數(shù)目分別為102（年度第2）、276（年度第2）、199（年度第2）、159（年度第3）、103（年度第5）、130（年度第6）、945（年度第3）、585（年度第4），始終名列前茅。

2017年，PTF項(xiàng)目停止運(yùn)行，為新項(xiàng)目讓路。盡管如此，PTF項(xiàng)目組還是從PTF觀測(cè)到的數(shù)據(jù)中發(fā)現(xiàn)了新的數(shù)據(jù)，并在2019年與2020年分別宣布了其中的725與50顆超新星。至今為止，PTF觀測(cè)到的超新星達(dá)到了3330顆。

茲威基暫現(xiàn)源設(shè)備

PTF于2017年被拆卸后，更先進(jìn)的望遠(yuǎn)鏡被搭配到奧辛望遠(yuǎn)鏡上，執(zhí)行新的項(xiàng)目，該項(xiàng)目被命名為“茲威基暫現(xiàn)源設(shè)備”（The Zwicky Transient Facility，ZTF），以紀(jì)念超新星巡天的先驅(qū)茲威基。ZTF相機(jī)的視場(chǎng)為47平方度，是滿月面積的247倍。

ZTF于2018年春開始運(yùn)行，到當(dāng)年的年末就發(fā)現(xiàn)了2054顆超新星，成為那一年的冠軍，終結(jié)了PS的4連冠。從2019年到2021年，ZTF分別發(fā)現(xiàn)了6681、8501與9983顆超新星，實(shí)現(xiàn)4連冠。特別是，它于2021年完成了單個(gè)望遠(yuǎn)鏡一年發(fā)現(xiàn)接近1萬顆超新星的壯舉。

未來即將運(yùn)行的8.4口徑Simonyi巡天望遠(yuǎn)鏡（LSST）每年將觀測(cè)到大約30萬超新星與大量其他光學(xué)暫現(xiàn)源。ZTF是LSST的杰出的先行者。

來源: 科普中國(guó)

內(nèi)容資源由項(xiàng)目單位提供