专为宇宙称重的KiDS巡天_风闻

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。 

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。

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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。

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。

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）

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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。

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。

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）

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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。

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。