從北京出發 去“朝拜”宇宙暗能量_風聞

【鄒虎，國家天文台BATC課題組副研究員，主要從事星系物理研究和圖像巡天工作】

從北京到美國的圖森再到伯克利，這不是一條旅遊路線，而是跨越太平洋通向宇宙暗能量之路。

由國家天文台大視場巡天（BATC）團組帶領的團隊，在過去4年內成功開展了北京-亞利桑那巡天（BASS）。利用387個夜晚，對北半球的天空進行深度圖像觀測，為即將開展的暗能量光譜巡天項目（DESI）作出了重要貢獻。用於DESI光譜選源的圖像巡天總共有三個，BASS是其中之一，DESI的圖像巡天數據近日已全部準備就緒，即將啓動光譜巡天。在未來5年內，DESI將觀測3500萬星系和類星體光譜，構建出最大的宇宙三維視圖，從而進行宇宙膨脹歷史的研究，並引領未來宇宙的前沿研究。那麼我們是如何通過前面所述的三個城市與宇宙暗能量結緣的呢？

圖1 北京-亞利桑那巡天拍攝圖像合成的彩圖。左圖為是星系團，位於大熊星座。星系團是宇宙中最大的引力束縛結構，由成千上萬個星系和大量暗物質組成。右圖為相互作用星系NGC 4490和NGC 4485，位於獵犬座。這兩個星系正在進行重力交互作用。星系的形態在潮汐力的作用下發生扭曲，且星系內部正在經歷劇烈的恆星形成。圖片來自BASS官方網站

從北京到圖森：與宇宙暗能量結緣

北京和圖森這兩座城市是怎麼聯繫到一起的？跟暗能量有什麼關係？故事還得從2009年開始説起。當年，我國自主創新研製的大天區多目標光纖光譜望遠鏡（LAMOST）已經順利竣工並馬上要開展試觀測 ，藉助SDSS巡天的成功經驗，很多天文學家意識到u波段數據的重要性，因為u波段數據能有效地挑選發射線星系和類星體。因此，計劃在南銀冠區域開展4000平方度的u波段巡天以供LAMOST選源。

經過調查和分析國內外望遠鏡的觀測能力後，最後選定了美國亞利桑那州史都華天文台的2.3米Bok望遠鏡。該望遠鏡位於圖森市附近的基特峯上，配備了拼接CCD相機，具有1平方度的視場（能裝下4個月亮 ）。圖森天氣乾燥，非常適合天文觀測，除了附近的城市燈光污染外，我們沒有發現天文觀測其他顯著的缺點。在經過反覆磋商之後，國家天文台和亞利桑那大學認為合作開展南銀冠u波段巡天（SCUSS）是可行的，並於當年簽署了合作協議。由國家天文台周旭研究員和美國亞利桑那大學的Michael Lesser教授作為雙方負責人開展的u波段巡天就此成行。從此北京和圖森就聯繫到一起了。

圖2 左圖為“成精”了的仙人掌樹，平均高度4-6公尺，是圖森市的標誌性植物，只有氣候乾燥的地方才適合它們生長。右圖為2.3米Bok望遠鏡。

亞利桑那大學負責升級相機和望遠鏡控制等設備，國家天文台與上海天文台負責巡天計劃的實施。2009年底，進行了試觀測，2010年開始正式巡天，歷時4年，於2013年結束觀測，2015年數據公開釋放。

無獨有偶，美國的SDSS第四期巡天也即將開始，其中以宇宙暗能量為主要科學目標的“拓展重子聲波振盪巡天”（eBOSS）也需要更深的u波段數據來進行發射線星系選源（這些星系具有明顯的恆星形成，強發射線能夠使得它們的紅移很容易測量）。因此，我們藉此和SDSS項目簽訂了合作意向，希望充分利用SCUSS巡天數據。後來一系列的合作研究表明，u波段在SDSS的發射線星系選源中發揮了重大作用，也就是在這個時候，我們和宇宙暗能量有了初次照面。

在SDSS開展第四期巡天之前，美國勞倫斯伯克利實驗室和美國國家光學天文台就已經在謀劃下一代宇宙學光譜巡天項目，就是我們前面所提到的DESI，以前叫BigBOSS。因為DESI需要觀測更高紅移的天體，現有的大面積圖像數據，如SDSS已經不能滿足它的光譜選源的要求，需要更深的大面積圖像巡天。

Bok望遠鏡最初的狀況非常糟糕，通過幾年的巡天觀測， 運行狀態提升很大。亞利桑那大學希望通過合作充分發揮該小望遠鏡的作用，通過SCUSS項目，我們也積累了大量的觀測和數據處理經驗，對望遠鏡的性能瞭如指掌，能夠較容易地開展新的觀測。因此，在三方都有需求的情況下，就又促成了一個新的圖像巡天項目。也就是北京-亞利桑那巡天。北京和圖森再次因為宇宙暗能量聯繫到了一起。

DESI光譜觀測的目標來自三個圖像巡天項目：BASS巡天、MzLS巡天和DECaLS巡天。

BASS是由國家天文台主導並聯合美國亞利桑那大學開展的兩波段圖像巡天項目。所使用的望遠鏡是位於基特峯、隸屬於亞利桑那大學史都華天文台的2.3米Bok望遠鏡。總共觀測了387個夜晚，觀測面積大於5000平方度。

MzLS是由美國國家光學天文台主導的單波段巡天項目，使用了同樣位於基特峯的4米Mayall望遠鏡，該望遠鏡即將用於DESI光譜巡天。總共觀測了401個夜晚，觀測區域與BASS相同。

DECaLS是由美國勞倫斯伯克利國家實驗室主導的三波段巡天項目，使用了位於智利的4米Blanco望遠鏡。總共觀測了204個夜晚，觀測面積為9000平方度。

近200名合作者，用3台望遠鏡覆蓋全天三分之一的面積，觀測近1000個夜晚，獲得了超過10億個星系和6億顆恆星的圖像以及測光信息。這三個巡天項目已於2019年3月結束全部觀測，並於2019年7月6日釋放了最新版本的數據（DR8），相關數據可以在DESI圖像巡天網站上訪問。

圖3 三個圖像巡天區域（赤道座標系）。BASS和MzLS觀測緯度大於32度的區域，DECaLS觀測其他區域。顏色表示r波段的深度，顏色越藍表示深度越深，探測的距離越遠。圖片來源於DESI圖像巡天網站。

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圖4 左圖為BASS和MzLS使用的望遠鏡。位於前方的是2.3米Bok望遠鏡，位於後方的是4米Mayall望遠鏡。右圖為DECaLS使用的4米Blanco望遠鏡。圖片來自NOAO

在中科院先導B項目和中科院對外重點合作項目的支持下，BASS巡天於2015年1月開始觀測，於2019年3月結束，歷時4年零2月，除去天氣等因素的影響，獲得335個有效觀測夜。來自國內外9家單位、36名成員參與了觀測，包括國家天文台、亞利桑那大學、北京大學、中國科技大學、清華大學、哈佛-史密松天體物理中心、加州大學、南京師範大學和新疆天文台。

每個觀測月，都會有2-3名觀測人員前往美國亞利桑那州圖森市，自備乾糧來到海拔2000多米的基特峯，平均每次觀測時間長達半個月，最長近一個月，每位“新手”都會表現得異常興奮。在學習觀測的同時，還能看到美麗的日出和日落以及基特峯星空夜景，留下了美好的回憶。當然，更重要的是把控好觀測質量和順利完成觀測任務，為即將到來的DESI項目作出自己的貢獻。

數據遺產：

三分之一的星空面積 16億個天體

BASS項目的成員也參與了其他兩個圖像巡天的觀測，而且在DESI合作內部數據處理和分析中也發揮了重要作用，目前BASS已經發布了2個版本的數據。2017年6月BASS數據首次併入DESI DR4數據產品，DESI最新釋放的圖像數據版本為DR8，任何人都能公開訪問相關的圖像和星表，其中恆星和星系的總數量高達16億。

同時，BASS和DESI數據釋放網站上都放置了可視化的在線星空瀏覽工具，專業天文學家和業餘天文愛好者都可以通過它們瀏覽真實的星空，實現在線宇宙漫步。基於巡天數據，國內外合作者已經開展了高紅移類星體、超彌散星系、變臉AGN、變星、貧金屬星系和星系團等多方面的研究。

圖5 在線星空瀏覽（http://legacysurvey.org/viewer）。圖片來自DESI官方釋放網站

下面是來自部分科學家的評價

亞利桑那大學史都華天文台樊曉暉教授：北京-亞利桑那巡天是國際合作的典範，值得DESI項目國際合作借鑑。

美國勞倫斯伯克利國家實驗室DESI項目科學家David Schlegel教授：一般情況下，申請望遠鏡時間最多也只能獲得5個晚上，這三個巡天總共獲得了980個晚上，數量是非常驚人的。

美國國家光學天文台DESI項目科學家Arjun Dey教授：儘管這些圖像巡天專門用於DESI光譜選源，但這些數據可以公開訪問，任何人都可以用來研究我們的宇宙。

哈佛-史密松天體物理中心DESI項目發言人Daniel Eisenstein：這些圖像數據覆蓋了南北銀冠絕大多數高緯度天區，面積接近2萬平方度，非常適合大面積的天體統計研究，我極力推薦大家對它們進行數據挖掘。

前往美國伯克利：宇宙暗能量在路上

DESI是由美國能源部支持、勞倫斯伯克利國家實驗室負責實施的光譜巡天計劃，它同時也是一個國際合作項目。來自全球76家研究單位、超630位成員聚首伯克利，探討計劃實施方案。DESI計劃在五年執行期內探索宇宙中被稱為暗能量的神秘力量是如何推動宇宙膨脹的，同時，也可能獲得一些意外的新發現。

科學家們從大量天體目標中遴選出3300萬個星系和240萬個類星體進行光譜觀測。這些光譜中包含了天體的距離信息，可以構建出從近鄰宇宙至110億光年內天體的三維空間分佈，以此研究宇宙的結構增長和膨脹歷史。

DESI的觀測設備是一架位於亞利桑那基特峯、隸屬於美國國家光學天文台的4米Mayall望遠鏡，望遠鏡的主角點原視場為0.5度。經改造之後，視場達到3度，即月亮角直徑的6倍。在這個主焦點上將安裝5000個小馬達（類似我國LAMOST望遠鏡的光纖定位單元），用於驅動5000根光纖同時採集同樣數量的天體所發出的光，這些光纖被捆綁連接至10台攝譜儀以便拍攝光譜 。

圖6 4米Mayall望遠鏡。左圖為圓頂內部的望遠鏡主體。右圖為DESI改造後的望遠鏡結構圖。圖片來源DESI官網

2018年2月，DESI開始對望遠鏡進行改造，到2019年6月，完成了主焦點改正鏡的安裝和調試任務。今年9月，DESI將開始試運行，一直到2020年2月。然後再經過4個月的巡天驗證期，在2020年6月開始正式光譜巡天觀測，整個巡天將歷時5年，於2025年6月結束。目前，參與DESI項目的科學家和工程師正在為試運行有條不紊地進行各項籌備，期待親眼目睹第一條天體光譜的誕生，同時也期望在未來五年內窺見宇宙暗能量的神秘之處。

當DESI開始正式巡天之後，我們還將繼續參與其光譜觀測，真正感受DESI的魅力，同時還將利用觀測的圖像和光譜數據開展銀河系、星系和宇宙學等研究。國家天文台研究人員通過BASS項目獲得了成員資格，也將在DESI的暗能量研究中發揮重要作用。暗能量你等着，我們來了！