巡天号太空望远镜进展（第四代巡天项目即将到来）

由欧洲主导的KiDS巡天项目，已经完成了它所有的巡天目标，本图为它给出的宇宙中暗物质的分布图（部分），揭示了一个由密集（亮色）和稀疏（暗色）区域组成的广阔蛛网状宇宙大尺度结构。

导读： 为了揭开宇宙中“两朵乌云”的秘密，人类已经开始第四代的巡天项目。这些设备包括即将在2023年7月发射的欧空局欧几里得卫星，计划在2024年夏天开始观测的美国LSST巡天，中国计划在2024年左右发射的“巡天”空间望远镜。

第四代的巡天设备相较于第三代有着质的飞跃，数据质量将提高至少一个量级，并有望最终揭开暗能量的神秘面纱。

一、宇宙中的两朵“乌云”

宇宙是如何诞生的？它的结构是什么？它的最终命运又如何？几千年以来，人类一直被这些最基本的问题深深吸引着。从中国古代的“天圆地方”学说到近代宇宙学的“宇宙大爆炸标准模型”（standard model of Big Bang cosmology），我们对宇宙的认知经历了多次变革。然而，仍有许多问题暂未得到解答，特别是涉及到宇宙绝大部分质能的两朵神秘“乌云”：暗物质（dark matter）和暗能量（dark energy）。

近代的天文学观测发现，我们平常所见的普通物质仅占宇宙总质能的5%，而绝大部分的物质（占27%的宇宙质能）无法被直接观测到。我们只能通过引力效应间接探测到它们的存在，但是对于它们的本质知之甚少，因此将它们统称为“暗物质”。此外，还有剩余的68%的质能以一种更加神秘的形式存在。我们甚至不知道它们是不是物质，我们只知道它们驱动着宇宙的加速膨胀，因此称它们为“暗能量”。

现代宇宙学研究的核心目标就是揭开这两朵“乌云”的神秘面纱。

图1：著名的宇宙物质组成饼图，包括68%的暗能量（dark energy），27%的暗物质（dark matter），以及剩下的5%的普通物质（atoms）

二、宇宙结构的层析摄像

根据广义相对论，当遥远天体发出的光穿过大质量物体的引力场时，比如星系或星系团，光线会发生偏折弯曲，导致遥远天体在地球上的观测者看来出现畸变，拉伸或放大的效果。这种现象被称为“引力透镜效应”（gravitational lensing effects）。通过研究遥远天体光线的引力透镜效应，我们可以推断前景物体内的物质分布，包括其中的暗物质。

然而，对于大多数遥远天体，引力透镜效应非常微弱，其引起的畸变通常很小，因此我们将其称为“弱引力透镜效应”（weak lensing effect）。为了能探测这一微弱的效应，我们需要对大量遥远的星系进行成像观测，并确定遥远星系畸变与前景天体的关联性。当所考虑的前景天体包含目标星系和观测者之间的所有物质时，这种弱引力透镜效应通常也被称为“宇宙切变”（cosmic shear）。由于宇宙切变对包括暗物质在内的所有物质都敏感，它成为了研究宇宙总物质分布的有力工具。

图2：强弱引力透镜效应的对比图。当光线穿过强引力场时，透镜效应导致的图像畸变肉眼可见（左下角区域）。然而，绝大多数的遥远星系只会受到肉眼不可见的及其微弱的扰动（右上角区域）。

如果我们能够同时确定被透镜星系的距离，那么宇宙切变效应的潜力将更为可观。对于遥远的天体，它们的距离可以利用红移现象来推断，即通过观测光线波长的变化。当光线穿过不断膨胀的宇宙时，其波长会被拉长，从而使探测到的光线的颜色向电磁波谱的红端移动，因此被称为“红移”（redshift）。物体的红移越大，它距离我们就越远。

有了距离信息，我们就可以对来自不同距离的星系做相应的宇宙切变效应探测，对宇宙的物质分布做层层解析，这种技术也被称为宇宙结构的“层析摄像”（tomography）。它类似于我们日常身体检查中的CT，可以帮助我们研究宇宙物质在三维空间中的分布。由于光传播需要时间，越远的天体发出的光需要越久的时间到达地球。因此，我们观测到的距离上的变化也是宇宙物质分布在时间上的变化，即宇宙结构的演化。而宇宙结构演化的最重要驱动力正是神秘的暗能量，因此，对宇宙结构做层析摄像可以帮助揭开暗能量的本质。

图3：利用宇宙切变效应为宇宙结构进行“层析摄像”的示意图。图中不同照片对应着不同距离上探测到的宇宙结构的二维切片。由于光传播速度有限，这些二维切片在宇宙距离尺度上的变化也包含了宇宙结构在时间上演化的信息。

三、KiDS大视场成像巡天项目

由于宇宙切变效应在揭示暗物质和暗能量本质方面的巨大潜力，它成为了多个大视场成像巡天项目的主要研究对象。

其中，由欧洲主导的KiDS（Kilo-Degree Survey）巡天项目是目前该研究领域的领衔代表。它同另外两个分别由美国主导的DES（Dark Energy Survey）巡天和日本主导的HSC（Hyper Suprime-Cam survey）巡天相互补充，有着各自不同的优势：其中KiDS覆盖了最广的光学波长范围，DES覆盖了最大的天区，而HSC则有最低的极限视星等（即，在相同条件下可以观测到更暗的星体）。它们共同引领着宇宙学大视场成像巡天的“第三阶段”或“第三代”（关于巡天不同阶段的定义取自2006年Albrecht等人所著的暗能量工作组白皮书【1】。

在他们的报告中，巡天项目被按照发生的时期划分为四个阶段或四代：第一代包括当年（2006年）已经或者即将完成的小型项目。其中比较著名的有CFHT巡天（Canada-France-Hawaii Telescope Legacy Survey）和斯隆数字化巡天（Sloan Digital Sky Survey）。第二代涵盖了当年正在进行的项目，包括斯隆数字化第二期巡天（Sloan Digital Sky Survey-II）和Pan-STARRS-1巡天等。而第三、第四代则分别指代当年计划中的中型和大型项目，也即本文提到的这些项目。）。

KiDS使用坐落在智利的VST望远镜观测1350平方度的天空，涵盖四个可见光波段（ugri）的成像。同时，它还使用了位于附近的VISTA望远镜对相同天区的另外五个近红外波段（ZYJHKs）进行了成像。因此，KiDS最终的数据涵盖了九个波段的成像，是当前大视场巡天项目中电磁波长覆盖范围最广的。这使得KiDS，相较于其他大视场成像巡天项目，有着更好的星系红移测量。这对于当前和未来的大视场巡天项目至关重要。因为，随着望远镜成像技术和星系形态测量算法的改进，我们已经可以得到足够精确的星系畸变的测量，在观测方面，最大的不确定因素就是星系距离的估计。

图4：右侧为用于KiDS巡天的2.6米VST望远镜。左下角为望远镜配备的拥有2.68亿像素的光学传感器。其观测视场为1平方度。左上角为VST拍摄的船底星云的照片。天体照片的颜色通过叠加多波段的成像而得到。

四、最新进展以及“S8冲突“

目前，KiDS已经完成了它所有的巡天目标，相应的数据处理正在持续进行中。随着数据处理的进展，KiDS也不断更新着它对宇宙学参数的限制结果。最新的KiDS分析结果已经使用了超过1000平方度的数据，涵盖了全部数据的三分之二以上。对于宇宙中物质密度涨落的限制已经达到了与Planck卫星的宇宙微波背景辐射（CMB, Cosmic Microwave Background）结果相当的精度。

宇宙中物质密度的涨落，即宇宙大尺度结构上的聚集程度，在宇宙学上通常用一个叫做S8的参数来描述。通过前面提到的宇宙切变分析，我们可以对该参数做精确的限制。此外，通过假设相应的宇宙学模型，我们也可以用宇宙微波背景辐射的观测结果来预测S8的值。这一假设过程是必须的，因为宇宙微波背景辐射的观测只提供了早期宇宙的初始条件，只有通过相应的宇宙学模型，我们才可以推断出宇宙后期的结构演化从而给出S8的预测。有趣的是，这两种方法所得到的S8值并不完全一致，这被称为“S8冲突”（S8 tension）。这个差异虽小，但已足以让研究人员思考是什么导致了结果上的不同，是观测数据的处理有问题，还是目前的宇宙学模型并非完美？

值得一提的是，KiDS的结果被最新的DES巡天结果所验证。由于这两个巡天项目有着各自不同的观测数据和相对独立的数据处理和分析方法，它们结果上的一致恰恰证实了宇宙切变在技术上的可靠性。因此，“S8冲突”并不能被单个项目的偶然性所解释。其只能归因于我们对于宇宙切变或者宇宙微波背景辐射观测和分析方面的系统性偏差，或者是我们假设的宇宙学模型存在瑕疵。后者显然是理论学家们最为期待的，因为一旦证实，这将是对我们现有物理学认知的极大挑战。

宇宙切变研究的相关成果，特别是“S8冲突”的发现，凸显了宇宙学领域持续研究和探索的重要性。观测宇宙学家们正在努力提高各种宇宙探测技术的精度，研究着包括宇宙切变和宇宙微波背景辐射研究在内的各类观测数据中可能存在的系统性误差。这一过程不仅将促进我们对宇宙结构和演化的理解，也推动着科学仪器技术和大数据分析的发展。在现今这个精确宇宙学时代，任何来自探测或者是分析阶段的微小的误差都会导致最终宇宙学结果上的不可忽视的偏差。

图5：最新的宇宙切变以及微波背景辐射对于S8的限制。除了现在误差仍较大的HSC的结果（红色），KiDS（蓝色）和DES（绿色）的最新结果都给出了相对于普朗克（Planck）宇宙微波背景辐射结果更低的数值。

五、宇宙学的未来与第四代巡天

虽然当前的大视场成像巡天在有关宇宙物质分布方面的研究已有了不错的结果，但其数据质量尚不足以完全约束与暗能量相关的参数（关于最新的KiDS相应的尝试可以参考文献[3]）。利用宇宙切变进行宇宙结构的层析摄像的潜力仍有待进一步挖掘。

幸运的是，我们现在正处于第四代巡天即将上线的年代。这包括即将在今年（2023年）七月发射的欧空局欧几里得卫星（ESA Euclid space telescope），计划明年（2024年）夏天开始观测的美国LSST（Rubin Observatory Legacy Survey of Space and Time）巡天。另外，中国也在该领域积极追赶，并有望在明年（2024年）发射“巡天”空间望远镜。这些第四代的巡天设备相较于第三代巡天有着质的飞跃。数据质量将提高至少一个量级，并有望最终揭开暗能量的神秘面纱。

图6：不同阶段巡天项目的数据质量对比图。横坐标代表观测到的星系密度，数值越大意味着越好的纵深。纵坐标代表巡天覆盖的天区总面积，数值越大结果不确定性越小。另外，彩红条表示覆盖的电磁波长范围，越广的范围意味着越好的红移测量。最后，圆圈的大小表示视宁度，越小的数值意味着越好的成像质量。其中，CSST为中国计划发射的“巡天”空间望远镜。图片来源：即将发表的关于KiDS第五次数据的文章 KiDS Collaboration et al. in prep

大视场成像巡天项目的成果依赖于人类整体科学技术的发展。这不仅包括与望远镜相关的精密仪器设备的提升，还涉及航天技术的发展，和大数据分析处理能力的进步。因此，我们对于宇宙本源不懈追求的过程，也是对人类整体科学技术以及物理学体系不断革新的过程。在宇宙学研究领域迈出的每一小步的背后，都是人类整体科学技术进步的结果。

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