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

  • 厦金大桥(厦门段)大节段钢箱梁顺利发运

  • 中国援助斯里兰卡抗洪救灾物资运抵科伦坡

独家策划

推荐阅读
“向精准要价值”,是一场从技术导向到需求导向的深刻转型。
2025-12-10 14:00
近十几年来,罗二仓团队聚焦采用环保工质,如氦气、氩气、氮气等绿色工质的热声斯特林技术,研发具有广阔应用前景的新一代热泵技术。
2025-12-10 09:39
中国科学院生物物理研究所徐涛院士课题组与纪伟研究员课题组研制出三维干涉定位显微镜(ROSE-3D),首次在单分子定位成像领域,实现了基于相机的纳米尺度三维各向同性分辨率。
2025-12-10 09:38
“细胞壁是质膜外具有一定硬度和弹性的细胞结构,广泛存在于植物、细菌和真菌中。随着研究逐渐深入,团队发现,在植物茎顶端干细胞区域,细胞壁的主要成分果胶呈现独特的“二元分布”模式。
2025-12-10 09:37
指令长张陆时隔两年半再度漫步太空,航天员武飞成为我国目前执行出舱任务最年轻的航天员。
2025-12-10 09:35
我国首个国家级陆相页岩油示范区——新疆吉木萨尔国家级陆相页岩油示范区9日完成年度170万吨原油生产任务,这一成果标志着国家级示范工程建设任务全面完成。
2025-12-10 09:34
一些不法商家钻监管漏洞,推出所谓“智驾神器”规避车辆安全监控,不仅严重威胁道路交通安全,更触碰了法律红线,扰乱了新能源汽车产业的健康发展秩序。
2025-12-09 10:11
一项新研究揭示了这些天体表面下可能发生的活动,为了解其多样地质特征的形成机制提供了线索。相关研究成果近日发表于《自然-天文学》。
2025-12-09 10:02
实验结果显示,将化合物注射给抑郁模型小鼠后,仅1小时便可观察到显著的抗抑郁效果,且无明显副作用。
2025-12-09 10:01
北京大学生命科学学院罗述金课题组与合作团队,通过古DNA研究发现,家猫直至唐代前后才通过丝绸之路商旅传入中国。
2025-12-09 09:58
7日,中国安全生产科学研究院与国家管网集团,在新疆哈密的国家管网集团管道断裂控制试验场,成功完成了我国首次全尺寸高压纯氢管道喷射火系列试验。
2025-12-09 09:57
基于这样的研究背景,柴秀娟团队近日研发出一种数字孪生驱动的智能温室采摘系统,能有效解决现代温室番茄生产密植环境下,机器人采摘效率低、易损伤植株的问题。团队成员郎一宁介绍:“首先,机器人搭载的滑轨式深度相机会沿温室逐行扫描,采集高精度的RGB-D数据。
2025-12-08 09:54
记者从国家数据局获悉,截至9月底,我国已建成高质量数据集总量超500PB(拍字节,计算机存储容量单位);7个数据标注基地引进和培育标注企业362家,标注从业人员达8.5万人,带动数据标注相关产值163亿元。
2025-12-08 09:53
“梦想”号大洋钻探船的母港在广州海洋地质调查局科考码头,出海执行作业任务时需要通过深中大桥。多年来,我们与150余家参研参建单位团结协作、集智创新,攻克了一个个技术难题,建成了这艘具有我国完全自主知识产权、全球领先的大洋钻探船。
2025-12-08 09:52
空中的昆虫堪称地球上最灵活的生物,能精准完成急转弯、急刹车和空中翻转。美国内华达大学里诺分校的航空航天工程师Hoang-Vu Phan指出,这款新设备标志着“微型机器人性能的巨大飞跃”。
2025-12-08 09:51
近日,中国科学院西安光学精密机械研究所超快光科学与技术全国重点实验室研究员姚保利团队在定量相位成像领域取得进展,提出了正交偏振复用剪切干涉技术,并研发出集成化定量相位相机Q-camera。
2025-12-08 09:50
这次经历让我开了窍:一个顶尖的技术工人,不能只满足于执行标准,更要具备在标准之外创造解决方案的能力。我带徒弟,始终坚持“手把手教技能,实打实查问题,面对面讲后果”。
2025-12-05 10:15
由此,研究团队模仿亚洲玉米螟幼虫头壳的结构特点,在实验室中成功“复刻”出具有类似仿生层状结构的水凝胶。为验证实际效果,研究团队将这种水凝胶安装在农业害虫侦查无人机的防撞支架上,并在模拟果园环境的复杂通道中进行测试。
2025-12-05 10:16
“十四五”时期,我国批准上市创新药达210个。为保证药品安全有效,药监部门对新药研发、生产、上市作出一系列严格规定,强化研发生产各环节质量管理。
2025-12-05 10:22
据中国载人航天工程办公室消息,根据计划安排,神舟二十一号航天员乘组将于近日择机实施第一次出舱活动。目前,空间站组合体运行稳定,神舟二十一号航天员乘组状态良好,已做好出舱活动各项准备工作。
2025-12-05 10:17
加载更多