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

  • 以色列在批评声中强行“重建”定居点

  • 甘肃:祁连山区域植被覆盖度稳步提升

独家策划

推荐阅读
一台能扛17级超强台风的漂浮式风机,究竟是如何造出来的?关键零部件怎样实现全部国产化?记者日前走进位于浙江省温州市的金风科技温州深远海风电零碳总部基地总装车间,
2026-08-14 03:55
13日,我国首艘国产大型邮轮“爱达·魔都号”以深圳为母港正式首航。该轮全长323.6米,总吨位13.62万吨,停靠于深圳国际邮轮母港一号泊位。
2026-08-14 03:55
13日,国家石油天然气基础设施重点项目——连云港至仪征原油管道工程连云港至淮安段(以下简称“连仪管道连淮段”)投产一次成功。
2026-08-14 03:55
当前,新一轮科技革命和产业变革加速演进,全球科技竞争呈现体系化、全链条博弈特征,核心技术攻坚成为竞争焦点。近年来,我国科技创新投入持续增长、创新实力稳步提升。
2026-08-14 03:55
水深超过6000米的深渊是地球最深处最极端的环境,一度被视为“生命禁区”,但其中也有微生物“绿洲”。
2026-08-14 03:55
全球人工智能治理已进入深水区
2026-08-14 04:40
在技术层面,根据信号采集方式的不同,脑机接口可分为非植入式与植入式两大类。从科幻场景落地现实应用,脑机接口的研发初衷并非打造“超人”,而是帮助残障病患重建行动与交流能力。
2026-08-13 09:48
2025国际数字能源展上的深圳虚拟电厂管理中心展区。国家能源局公布的数据显示,截至2025年底,全国已建成470个虚拟电厂项目,实测最大调节能力1685万千瓦,形成全球规模领先的虚拟电厂集群。
2026-08-13 09:46
深远海风电开发,输电是关键一环。亚洲首个采用柔性直流输电技术送出的海上风电项目——三峡新能源江苏如东800兆瓦海上风电项目近日交出答卷:截至8月11日,累计发电量突破100亿千瓦时。
2026-08-13 09:44
近年来,河北省张家口市塞北管理区依托当地气候特点和优质土壤资源,以科技为支撑、机械化为保障,建设高标准农田,种植马铃薯、胡萝卜和春小麦等农作物,目前该区已建成高标准农田8.18万亩,农业机械化生产率超95%。图为8月11日,在张家口市塞北管理区的田间,农机手操作农机收获春小麦。
2026-08-13 09:40
中国汽车工业协会12日发布数据显示,2026年7月份,新能源汽车月度新车销量占比首次超过60%、累计占比首次超过50%;月度出口量连续两个月突破100万辆,新能源汽车出口占比连续两个月超过50%。
2026-08-13 09:37
极端天气正在深刻影响各国民众的生活选择,而中国的绿色产品正在其中扮演越来越关键的角色。
2026-08-12 10:23
近日,山东省青岛市首家机器人6S体验店开业,吸引众多消费者前来参观体验。
2026-08-12 10:21
近日,中国科学院南京地质古生物研究所晚古生代研究团队副研究员要乐、王秋来与中国科学院青藏高原研究所副研究员魏强合作,首次系统揭示了地球倒数第二次大冰期的完整过程与机制。
2026-08-12 10:20
北京大学周丰教授、王旭辉研究员团队揭示极端高温影响水稻产量的新机制,相关成果于近日发表。
2026-08-12 10:16
增强科技创新体系化攻关能力,就是要以系统思维统筹国家创新体系的各类主体、各个环节、各项要素,构建安全可控、高效协同、良性循环的创新生态,提升国家创新体系整体效能。
2026-08-12 09:59
如果一个人童年时曾遭遇不幸和逆境,常让他在成年后面对风浪时,更容易陷入焦虑、抑郁等情绪障碍。目前,人们还没有能治疗童年逆境对大脑深远影响的办法,其中一个重要原因,就是过去没弄清背后的分子机制。
2026-08-11 09:41
日前发布的《加快农业农村现代化“十五五”规划》,将粮食综合生产能力确定为约束性指标,明确提出粮食综合生产能力从2025年的1.39万亿斤,提升到2030年的1.45万亿斤左右。在汶上县,2025年粮食种植面积稳定在150万亩、产量超过14亿斤;今年小麦平均亩产581.5公斤,眼下秋粮玉米长势喜人。
2026-08-11 09:39
氢能是一种来源丰富、绿色低碳、应用广泛的二次能源。氢能能量密度大,在长距离运输上有优势,被应用于公交客运、冷链运输、干线物流等场景。依托国家氢能示范城市群政策牵引,截至2025年底,我国氢燃料电池汽车累计销量近4万辆,氢燃料电池应用场景向矿卡、船舶、无人机、轨道交通等延伸。
2026-08-11 09:35
5月4日,人们在浙江省杭州市文三数字生活街区的AI黑科技市集上体验DeepSeek(深度求索)的人工智能大模型。从东南亚的政务服务到中东的能源行业,从欧美的初创企业到拉美的电商平台,中国大模型正在用实实在在的能力赢得全球用户的信赖。
2026-08-11 09:31
加载更多