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

  • 一册繁花 满目春色

  • 新疆多地降温降雪

独家策划

推荐阅读
“十五五”时期,香港要主动参与国家战略布局,将自身的国际化优势、专业服务优势与国家的发展需求精准对接,为实现更高水平的开放合作贡献香港力量。在科研方面,香港科研基础扎实,有实力承担国家重大科研任务;香港科学家对参与国家科技计划、推动国家科技创新怀有很高的热情和积极性。
2026-03-12 10:30
心脑血管疾病已成为威胁我国人民生命健康的“头号杀手”。与此同时,心脑血管疾病发病及致残、致死呈现出明显的年轻化趋势,疾病负担持续加重,对我国推进健康中国建设、实现全民健康目标构成了挑战。
2026-03-12 10:30
对此,应该充分发掘当地的生态价值和文化价值,探索因地制宜的保护路径,保留浓郁“农味”与“地方味”,让古老农耕智慧、生态智慧在当代生活中延续生机、展现活力。这样不仅有助于实现农文旅融合发展,还能给我们的子孙后代保留良好的生态环境和生态景观,接续传承好丰厚灿烂的生态文化。
2026-03-12 10:30
今年政府工作报告提出,深化拓展“人工智能+”,促进新一代智能终端和智能体加快推广,推动重点行业领域人工智能商业化规模化应用,培育智能原生新业态新模式。张壮代表说,在竞逐人工智能创新的赛道上,柳州加速布局。
2026-03-12 10:30
记者詹媛11日从中国科技馆了解到,我国的科普大篷车项目自2000年启动实施以来,以“科普轻骑兵”的方式活跃在祖国大江南北,将前沿科技动态、趣味互动展品、优质科教资源送到基层公众身边。
2026-03-12 10:30
“龙虾”智能体通过整合调用通信软件和大语言模型,在用户本地电脑自主执行文件管理、邮件收发、数据处理等复杂任务。”魏亮说,有关方面也会持续做好安全监测,如发现相关安全风险将及时预警,为用户安全使用提供必要的技术支持。
2026-03-11 09:36
作为人类的“第二大脑”,AI for Science正在全球范围内引发科研范式的深刻变革,也成为全国两会期间代表委员关注的话题。3月7日,在全国政协十四届四次会议第二次全体会议上,全国政协委员、中国科学院院士周志华发言建议,以人工智能引领科研范式变革。
2026-03-11 09:36
全国政协委员、中国科学院院士、南京大学副校长周志华在接受光明网记者采访。
2026-03-11 07:00
以医工交叉+成果转化为抓手,凭借硬核科创成果精准攻坚,同时高标准建设国家药监局监管科学创新基地,为产业发展提供标准与工具支撑。
2026-03-11 09:33
作者:余有成 张立华 吴 飞(分别系中国人工智能学会副秘书长;复旦大学智能机器人研究院常务副院长、特聘教授;我国的独特优势,在于探索出一条“软件定义算力、算法驱动效能、人工智能+赋能场景”的创新路径。
2026-03-11 09:32
具体而言,在种植与流通环节,中药农业面临良种普及率不高、生产种植分散、标准化程度偏低等现实问题。可制定国家统筹的野生资源抚育与替代技术攻关清单,利用大数据监测价格与供给波动,增强产业链供应链韧性。
2026-03-11 09:31
光明日报北京3月10日电 记者张晓华从中国航天科技集团获悉,目前中国探月工程四期正稳步推进,2026年将研制发射嫦娥七号探测器,首次奔赴月球南极,寻找水冰存在的证据。中国航天科技集团五院研究员孙泽洲表示,在行星探测方面,未来我国还将发射天问三号和天问四号。
2026-03-11 09:30
当前全球人工智能竞争日趋白热化,大模型手机助手成为智能终端领域的核心竞逐赛道。建议以技术协同创新为核心、以产学研深度融合为支撑、以包容审慎监管为保障,筑牢自身核心优势,抢抓大模型手机助手产业窗口期。
2026-03-10 09:57
近日,由蓝箭航天研制的220吨级液氧甲烷全流量补燃循环发动机“蓝焱”完成整机全系统长程试车,标志着我国在大推力高性能液体火箭发动机领域持续取得突破性进展。
2026-03-10 09:30
从空天地一体化网络到通信、感知与人工智能深度融合,6G被视为重塑全球数字信息基础设施格局的重要技术底座。
2026-03-10 09:29
我国目前农业科技进步贡献率已经超过64%,农作物良种覆盖率超过96%,农作物耕种收综合机械化率达到76.7%,“农业现代化建设迈上了一个新台阶”。
2026-03-10 09:27
全国两会期间,“养龙虾”的话题登上热搜。全国人大代表、中国工程院院士高文说:“现在大家急得不得了,生怕没有养上‘龙虾’。”
2026-03-10 09:26
从实验室的“青苹果”到产业端的“金苹果”,距离有多远?2026年全国两会期间,两位代表分享了他们的探索实践。
2026-03-09 09:46
加快科技自立自强,既是破解产业升级瓶颈的重要支撑,也是抢占未来产业新赛道、培育新质生产力的关键依托。
2026-03-09 09:45
在全国两会会场,记者见到了贵州省六盘水市水城区农业农村局农业综合开发中心主任杨恩兰代表,聊起了她来京前的“田间故事”。
2026-03-09 09:44
加载更多