点击右上角微信好友

朋友圈

请使用浏览器分享功能进行分享

正在阅读:专为宇宙称重的KiDS巡天
首页> 科普频道> 天文前沿 > 正文

专为宇宙称重的KiDS巡天

来源:光明网2021-12-07 18:09

调查问题加载中,请稍候。
若长时间无响应,请刷新本页面

  星系巡天是现代宇宙学研究最重要的观测方式,天文学家通过对一片天区的星系开展普查式的观测来测绘对宇宙大尺度结构,并研究其演化。历史上最成功的巡天项目是斯隆数字巡天(Sloan Digital Sky Survey)。从2000年开始,SDSS利用位于新墨西哥州阿帕奇山顶天文台的2.5米望远镜,已经对整个天区1/3的面积进行了多色成像(u、g、r、i、z),并且获得了超过300万个天体的光谱。SDSS的主要科学目标之一是通过观测宇宙中天体的位置和距离,绘制宇宙大尺度结构的3D图像,进而追溯宇宙结构演化历史并寻找暗能量存在的证据。

专为宇宙称重的KiDS巡天

图1. SDSS巡天绘制宇宙大尺度结构(图源:SDSS官网)

  SDSS主要利用发光部分的天体及其分布约束宇宙学模型,但这还远远不够。宇宙中更多的是看不见的暗物质。发光物质和暗物质的总质量,可以对宇宙学模型进行更好的限制。而这种总质量,最好的方法是利用一种叫做“弱引力透镜”的效应得出。不过,精确测量弱引力透镜的信号对星系的形状测量具有极高的要求。受限于相对较浅的测光观测深度(~22等)和并不是特别理想的观测条件(~1.5” 的seeing),SDSS并不适合弱引力透镜研究。

  KIDS巡天,为弱引力透镜测量而生

  弱引力透镜是一种在质量作用下的时空弯曲效应。宇宙中的星系和星系团等具有很大的质量,来自其背景的天体的光会受到它们的引力作用而发生偏转。如果这种偏转比较大,背景天体就会在前景天体的周围会形成多像系统,这就是常说的强引力透镜,而如果这种偏转比较小,背景天体只会发生非常轻微的形变,这就是弱引力透镜。弱引力透镜可以用来探测前景天体的质量和质量分布。这些质量包括了所有的物质,且其中超过90%的是看不见的暗物质和弥散气体。

专为宇宙称重的KiDS巡天

图2. 星系团引力透镜,既有强透镜成像,也有弱透镜信号(图源:哈勃望远镜拍摄)

  通过单一星系是无法测量弱引力透镜信号的,只有统计众多星系的取向相关性(宇宙剪切),进而量化背景星系的相关程度来获取弱引力透镜信号。要利用弱引力透镜给宇宙称重,进而约束宇宙学模型,必须满足三个非常苛刻的条件:

  1)足够多的星系用于统计研究;

  2)高质量的成像用于星系形状的测量;

  3)多波段的成像或者光谱数据用于红移(距离)的测量。

  KiDS巡天便是为这一目标定制的。

  KiDS全称平方千度巡天(Kilo Degree survey),它使用欧洲南方天文台(ESO)的VST巡天望远镜,已经完成了对1350平方度的天区4个光学波段的成像。VST的口径为2.6米,一次曝光可以覆盖1平方度的天区,具有很高的巡天效率。它被放在位于智利的paranel观测站,这里具有地表最佳的观测条件。r波段的平均seeing只有0.68左右,这极大地保证了天体的成像质量。为了获取更多波段的成像用于精确的测光红移的测量,ESO还特意为KiDS匹配一个名为VIKING的红外巡天,对相同天区进行五个波段(Z, Y, J,H,Ks)的红外观测。

专为宇宙称重的KiDS巡天

图3. 与SDSS相比,KiDS具有更好的成像质量,更深的成像深度,可以提高弱引力透镜信号的测量精度(图源:KIDS合作组成员)

  KIDS巡天新发现: S8争议

  KiDs巡天在测绘了宇宙暗物质分布的过程中发现了一个有趣的问题“S8”争议。S8称作结构生长参数,它表征了宇宙中物质的质量密度以及这些物质的成团程度。宇宙大爆炸之后,随着时间的流逝,引力使得宇宙中的物质变得越来越不均匀。质量略高于平均值的区域会吸引周围的物质,使得这些区域的质量比周围区域的质量更高。同时,宇宙的膨胀也在抵消着这种质量的聚集。这两个过程都是引力驱动的,对于测试宇宙学标准模型至关重要。

专为宇宙称重的KiDS巡天

图4. KIDS巡天中一个10x15亿光年的区域的放大图(图源:KIDS官网)

  基于微波背景,普朗克(Plank)卫星测量的S8值为0.81,而KiDS合作组利用其第三期数据中约1500万个星系的测量的结果为0.74,且这两者的差别也超出了误差允许范围。在最初的时候,KiDS合作组对这个结果异常谨慎。他们认为这个差别可能来自于统计波动,或者来自于KiDS和Plank两个团队的系统误差。在KiDS第四期数据中,可用的星系增加到了3100多万,S8争议仍然重现了(S8=0.75),而即使结合了KiDS与SDSS两个巡天的数据,该值也只有0.77(+0.006 -0.032),在3个标准差之内仍然无法与普朗克测量结果一致。

  一些科学家开始对标准宇宙学模型产生怀疑:它是否能很好地描述这个宇宙,尤其是暗物质和暗能量等成分?如果S8冲突是真的,我们是否可以通过对当前的宇宙学模型进行微调来解决这个问题?暗物质是否可能具有比完全惰性的“冷暗物质”更复杂一点的性质?如果观测冲突在未来更高精度的巡天观测中被确认,可能会带来令人振奋的物理学进步。

专为宇宙称重的KiDS巡天

图5. KIDS结合其它数据得出的S8的结果,仍然与普朗克卫星的结果存在差距(图源:文章Loureiro et al. 2021)

  第四代巡天,能否解决S8争议?

  KiDS属于第三代巡天,同属第三代巡天的还有日本领导的HSC和美国领导的DES。在接下来的几年,我们将会进入到第四代巡天,其代表项目有美国的地面巡天项目LSST, 欧空局的空间巡天Euclid,以及中国空间站工程巡天空间望远镜CSST。其中,CSST预计在2024年前后发射运行,并伴随中国空间站飞行。CSST计划拍摄约17500平方度的天区。因为不受大气层的影响,其成像质量将会比第三代巡天高出很多,这将大大提高弱引力透镜的测量精度,进而更好地为宇宙称重,限制宇宙学模型。到时候,相信人们会对S8争议有更深的认识,无论这个争议是否被解决,都将是对弱引力透镜宇宙学的一个重要贡献。

专为宇宙称重的KiDS巡天

图6. 中国空间站望远镜(图源:网络)

  作者简介:李瑞,中国科学院大学天文与空间科学学院特别研究助理,KIDS合作组成员,CSST强引力透镜合作组成员。研究方向包括强引力透镜、星系演化和机器学习等。

  文稿编辑:赵宇豪

[ 责编:蔡琳 ]
阅读剩余全文(

相关阅读

您此时的心情

光明云投
新闻表情排行 /
  • 开心
     
    0
  • 难过
     
    0
  • 点赞
     
    0
  • 飘过
     
    0

视觉焦点

  • 游西夏陵 开启新体验

  • 江苏扬州至镇江直流输电二期工程建成投运

独家策划

推荐阅读
近日,一个名为Moltbook的社交平台突然走红。与普通网络平台不同的是,Moltbook上的用户都是AI智能体。
2026-02-14 09:21
全球规模最大的200万吨/年柴油吸附分离装置目前在中国石油广西石化稳定运行。
2026-02-14 09:16
大连理工大学赵珺教授带领师生团队正抓紧时间,为实现可重复使用运载火箭关键部件的“复用检测”技术突破全力冲刺。
2026-02-14 09:12
一场刷新人类对宇宙极端物理过程认知的高能事件,被中国科学卫星清晰捕获并成功解读。
2026-02-14 09:11
近日,中国计量科学研究院研制的锶原子光晶格钟NIM-Sr1正式获准校准国际标准时间,实现了我国光钟参与校准国际标准时间“零”的突破。
2026-02-14 09:10
装上智能仿生手,截肢患者可以轻松拿起水杯喝水;高位截瘫患者用意念移动电脑光标,操控轮椅,指挥机器狗取外卖……
2026-02-13 09:50
凌晨2时,南昌西动车组运用一所检修库内灯光如昼。“接触网已断电,安全措施准备完毕,申请登顶!”确认许可后,国铁南昌局电务段南昌西车载设备车间工长曹准与工友一前一后登上动车组车顶,对北斗天线进行全面“体检”。
2026-02-13 09:45
近日,广西涠洲岛海域发生渔船撞击布氏鲸事件,鲸鱼受伤的画面令人揪心。虽然撞鲸的并非观鲸船,但这起事件也给正处于旺季的观鲸游敲响警钟——负责任地观鲸,有边界地亲近,人与自然和谐共生图景才能真正长久。
2026-02-13 09:43
核光钟通过真空紫外激光诱导原子核跃迁,具备更高精度与强抗干扰能力,且可实现便携化应用。但研制核光钟的道路上的一个核心瓶颈,是无法研制出能激发核跃迁的连续波激光光源。
2026-02-13 09:42
2021年,王勤团队开始研发低成本、适用于牧场环境的马匹体形自动测定设备。王勤团队搜集了全球90个马群体、近40个品种的基因组信息,构建了包含2000多个个体的参考面板——这是目前全球规模最大的马基因组参考数据库。
2026-02-13 09:36
一纸锦旗山水间,杏林春暖绿意长。
2026-02-12 11:01
金星与地球大小相近,同样诞生于太阳系内侧,却有着截然不同的命运。
2026-02-12 09:41
科技部十司相关负责同志解读《调查处理规定》。
2026-02-12 09:38
《细胞》封面:猕猴屏状核细胞分类与全脑联接图谱。在当前脑图谱大科学计划研究目标迈进绘制非人灵长类介观脑图谱的关键阶段,中国科学家仍在进一步集聚全球力量,持续扩大“朋友圈”。
2026-02-12 09:25
据悉,在战略上,植物星球计划还将整体提升全球生物多样性保护和实现碳中和的生态能力,构建植物科学领域全球大科学命题国际合作的新格局。
2026-02-12 09:17
马年将至,作为一种兼具力量与速度的动物,马正受到格外的关注。
2026-02-12 09:12
工业和信息化部等五部门近日印发《关于加强信息通信业能力建设支撑低空基础设施发展的实施意见》。加强监管能力体系建设,规划无人机专用号段,推动“一机一码一号”能力建设,探索标识解析在无人机领域的应用,形成无人机通信资源精细化管理。
2026-02-11 09:25
全球森林逐渐被快生树木主导,而稳定生态系统的慢生树种正在消失。“我们关注的是极为独特的物种,它们主要集中在生物多样性丰富、生态系统联系紧密的热带和亚热带地区。“此外,在现在和未来受到干扰的地区,非本地物种可能会加剧对光、水和养分的竞争,从而使本地树木更难生存。
2026-02-11 09:32
中国科学院动物研究所研究员王红梅带领的“灵长类胚胎发育的规律解析与体外模拟团队”,用27年的接力攻坚,把灵长类早期胚胎发育这个看不见、摸不着的“黑匣子”,变成了清晰可见的“生命剧本”。
2026-02-11 09:32
截至1月28日,“横竖都是世界第一”的贵州花江峡谷大桥累计接待游客突破130万人次,通行车辆超20万辆次,持续为区域发展注入新动能。大桥带来的发展溢出效应令人瞩目,而深入大桥肌理探查,你会发现,支撑起这座庞然大物的每根细钢丝,全部都是“中国造”。
2026-02-11 09:31
加载更多