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从北京出发 去“朝拜”宇宙暗能量

来源:光明网2019-07-23 17:56

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  从北京到美国的图森再到伯克利,这不是一条旅游路线,而是跨越太平洋通向宇宙暗能量之路。

  由国家天文台大视场巡天(BATC)团组带领的团队,在过去4年内成功开展了北京-亚利桑那巡天(BASS)。利用387个夜晚,对北半球的天空进行深度图像观测,为即将开展的暗能量光谱巡天项目(DESI)作出了重要贡献。用于DESI光谱选源的图像巡天总共有三个,BASS是其中之一,DESI的图像巡天数据近日已全部准备就绪,即将启动光谱巡天。在未来5年内,DESI将观测3500万星系和类星体光谱,构建出最大的宇宙三维视图,从而进行宇宙膨胀历史的研究,并引领未来宇宙的前沿研究。那么我们是如何通过前面所述的三个城市与宇宙暗能量结缘的呢?

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图1 北京-亚利桑那巡天拍摄图像合成的彩图。左图为是星系团,位于大熊星座。星系团是宇宙中最大的引力束缚结构,由成千上万个星系和大量暗物质组成。右图为相互作用星系NGC 4490和NGC 4485,位于猎犬座。这两个星系正在进行重力交互作用。星系的形态在潮汐力的作用下发生扭曲,且星系内部正在经历剧烈的恒星形成。图片来自BASS官方网站

  从北京到图森:与宇宙暗能量结缘

  北京和图森这两座城市是怎么联系到一起的?跟暗能量有什么关系?故事还得从2009年开始说起。当年,我国自主创新研制的大天区多目标光纤光谱望远镜(LAMOST)已经顺利竣工并马上要开展试观测 ,借助SDSS巡天的成功经验,很多天文学家意识到u波段数据的重要性,因为u波段数据能有效地挑选发射线星系和类星体。因此,计划在南银冠区域开展4000平方度的u波段巡天以供LAMOST选源。

  经过调查和分析国内外望远镜的观测能力后,最后选定了美国亚利桑那州史都华天文台的2.3米Bok望远镜。该望远镜位于图森市附近的基特峰上,配备了拼接CCD相机,具有1平方度的视场(能装下4个月亮 )。图森天气干燥,非常适合天文观测,除了附近的城市灯光污染外,我们没有发现天文观测其他显著的缺点。在经过反复磋商之后,国家天文台和亚利桑那大学认为合作开展南银冠u波段巡天(SCUSS)是可行的,并于当年签署了合作协议。由国家天文台周旭研究员和美国亚利桑那大学的Michael Lesser教授作为双方负责人开展的u波段巡天就此成行。从此北京和图森就联系到一起了。

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图2 左图为“成精”了的仙人掌树,平均高度4-6公尺,是图森市的标志性植物,只有气候干燥的地方才适合它们生长。右图为2.3米Bok望远镜。

  亚利桑那大学负责升级相机和望远镜控制等设备,国家天文台与上海天文台负责巡天计划的实施。2009年底,进行了试观测,2010年开始正式巡天,历时4年,于2013年结束观测,2015年数据公开释放。

  无独有偶,美国的SDSS第四期巡天也即将开始,其中以宇宙暗能量为主要科学目标的“拓展重子声波振荡巡天”(eBOSS)也需要更深的u波段数据来进行发射线星系选源(这些星系具有明显的恒星形成,强发射线能够使得它们的红移很容易测量)。因此,我们借此和SDSS项目签订了合作意向,希望充分利用SCUSS巡天数据。后来一系列的合作研究表明,u波段在SDSS的发射线星系选源中发挥了重大作用,也就是在这个时候,我们和宇宙暗能量有了初次照面。

  在SDSS开展第四期巡天之前,美国劳伦斯伯克利实验室和美国国家光学天文台就已经在谋划下一代宇宙学光谱巡天项目,就是我们前面所提到的DESI,以前叫BigBOSS。因为DESI需要观测更高红移的天体,现有的大面积图像数据,如SDSS已经不能满足它的光谱选源的要求,需要更深的大面积图像巡天。

  Bok望远镜最初的状况非常糟糕,通过几年的巡天观测, 运行状态提升很大。亚利桑那大学希望通过合作充分发挥该小望远镜的作用,通过SCUSS项目,我们也积累了大量的观测和数据处理经验,对望远镜的性能了如指掌,能够较容易地开展新的观测。因此,在三方都有需求的情况下,就又促成了一个新的图像巡天项目。也就是北京-亚利桑那巡天。北京和图森再次因为宇宙暗能量联系到了一起。

  DESI光谱观测的目标来自三个图像巡天项目:BASS巡天、MzLS巡天和DECaLS巡天。

  BASS是由国家天文台主导并联合美国亚利桑那大学开展的两波段图像巡天项目。所使用的望远镜是位于基特峰、隶属于亚利桑那大学史都华天文台的2.3米Bok望远镜。总共观测了387个夜晚,观测面积大于5000平方度。

  MzLS是由美国国家光学天文台主导的单波段巡天项目,使用了同样位于基特峰的4米Mayall望远镜,该望远镜即将用于DESI光谱巡天。总共观测了401个夜晚,观测区域与BASS相同。

  DECaLS是由美国劳伦斯伯克利国家实验室主导的三波段巡天项目,使用了位于智利的4米Blanco望远镜。总共观测了204个夜晚,观测面积为9000平方度。

  近200名合作者,用3台望远镜覆盖全天三分之一的面积,观测近1000个夜晚,获得了超过10亿个星系和6亿颗恒星的图像以及测光信息。这三个巡天项目已于2019年3月结束全部观测,并于2019年7月6日释放了最新版本的数据(DR8),相关数据可以在DESI图像巡天网站上访问。

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  图3 三个图像巡天区域(赤道坐标系)。BASS和MzLS观测纬度大于32度的区域,DECaLS观测其他区域。颜色表示r波段的深度,颜色越蓝表示深度越深,探测的距离越远。图片来源于DESI图像巡天网站。

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  图4 左图为BASS和MzLS使用的望远镜。位于前方的是2.3米Bok望远镜,位于后方的是4米Mayall望远镜。右图为DECaLS使用的4米Blanco望远镜。图片来自NOAO

  在中科院先导B项目和中科院对外重点合作项目的支持下,BASS巡天于2015年1月开始观测,于2019年3月结束,历时4年零2月,除去天气等因素的影响,获得335个有效观测夜。来自国内外9家单位、36名成员参与了观测,包括国家天文台、亚利桑那大学、北京大学、中国科技大学、清华大学、哈佛-史密松天体物理中心、加州大学、南京师范大学和新疆天文台。

  每个观测月,都会有2-3名观测人员前往美国亚利桑那州图森市,自备干粮来到海拔2000多米的基特峰,平均每次观测时间长达半个月,最长近一个月,每位“新手”都会表现得异常兴奋。在学习观测的同时,还能看到美丽的日出和日落以及基特峰星空夜景,留下了美好的回忆。当然,更重要的是把控好观测质量和顺利完成观测任务,为即将到来的DESI项目作出自己的贡献。

  数据遗产:三分之一的星空面积 16亿个天体

  BASS项目的成员也参与了其他两个图像巡天的观测,而且在DESI合作内部数据处理和分析中也发挥了重要作用,目前BASS已经发布了2个版本的数据。2017年6月BASS数据首次并入DESI DR4数据产品,DESI最新释放的图像数据版本为DR8,任何人都能公开访问相关的图像和星表,其中恒星和星系的总数量高达16亿。

  同时,BASS和DESI数据释放网站上都放置了可视化的在线星空浏览工具,专业天文学家和业余天文爱好者都可以通过它们浏览真实的星空,实现在线宇宙漫步。基于巡天数据,国内外合作者已经开展了高红移类星体、超弥散星系、变脸AGN、变星、贫金属星系和星系团等多方面的研究。

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  图5 在线星空浏览(http://legacysurvey.org/viewer)。图片来自DESI官方释放网站

  下面是来自部分科学家的评价

  亚利桑那大学史都华天文台樊晓晖教授:北京-亚利桑那巡天是国际合作的典范,值得DESI项目国际合作借鉴。

  美国劳伦斯伯克利国家实验室DESI项目科学家David Schlegel教授:一般情况下,申请望远镜时间最多也只能获得5个晚上,这三个巡天总共获得了980个晚上,数量是非常惊人的。

  美国国家光学天文台DESI项目科学家Arjun Dey教授:尽管这些图像巡天专门用于DESI光谱选源,但这些数据可以公开访问,任何人都可以用来研究我们的宇宙。

  哈佛-史密松天体物理中心DESI项目发言人Daniel Eisenstein:这些图像数据覆盖了南北银冠绝大多数高纬度天区,面积接近2万平方度,非常适合大面积的天体统计研究,我极力推荐大家对它们进行数据挖掘。

  前往美国伯克利:宇宙暗能量在路上

  DESI是由美国能源部支持、劳伦斯伯克利国家实验室负责实施的光谱巡天计划,它同时也是一个国际合作项目。来自全球76家研究单位、超630位成员聚首伯克利,探讨计划实施方案。DESI计划在五年执行期内探索宇宙中被称为暗能量的神秘力量是如何推动宇宙膨胀的,同时,也可能获得一些意外的新发现。

  科学家们从大量天体目标中遴选出3300万个星系和240万个类星体进行光谱观测。这些光谱中包含了天体的距离信息,可以构建出从近邻宇宙至110亿光年内天体的三维空间分布,以此研究宇宙的结构增长和膨胀历史。

  DESI的观测设备是一架位于亚利桑那基特峰、隶属于美国国家光学天文台的4米Mayall望远镜,望远镜的主角点原视场为0.5度。经改造之后,视场达到3度,即月亮角直径的6倍。在这个主焦点上将安装5000个小马达(类似我国LAMOST望远镜的光纤定位单元),用于驱动5000根光纤同时采集同样数量的天体所发出的光,这些光纤被捆绑连接至10台摄谱仪以便拍摄光谱。

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  图6 4米Mayall望远镜。左图为圆顶内部的望远镜主体。右图为DESI改造后的望远镜结构图。图片来源DESI官网

  2018年2月,DESI开始对望远镜进行改造,到2019年6月,完成了主焦点改正镜的安装和调试任务。今年9月,DESI将开始试运行,一直到2020年2月。然后再经过4个月的巡天验证期,在2020年6月开始正式光谱巡天观测,整个巡天将历时5年,于2025年6月结束。目前,参与DESI项目的科学家和工程师正在为试运行有条不紊地进行各项筹备,期待亲眼目睹第一条天体光谱的诞生,同时也期望在未来五年内窥见宇宙暗能量的神秘之处。

  当DESI开始正式巡天之后,我们还将继续参与其光谱观测,真正感受DESI的魅力,同时还将利用观测的图像和光谱数据开展银河系、星系和宇宙学等研究。国家天文台研究人员通过BASS项目获得了成员资格,也将在DESI的暗能量研究中发挥重要作用。暗能量你等着,我们来了!

  作者:邹虎,系国家天文台BATC课题组副研究员,主要从事星系物理研究和图像巡天工作。

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