世界最強光譜巡天項目長啥樣？

本文來自微信公眾號：賽先生（ID：mrscience100），作者：鄒虎（中國科學院國家天文臺），責編：韓越揚、呂浩然，原文標題：《高度還原——世界最強光譜巡天項目長啥樣？ | 賽先生天文》，圖片由作者提供

暗物質與暗能量，人類現在仍無法直接觀測。但請注意，“無法直接觀測”并不代表人類就對其束手無策，間接觀測、側面證明的方法比比皆是，光學巡天項目就是其中之一。

本期賽先生天文，讓我們跟隨作者一起，回顧人類光譜巡天項目的發展歷程，并請他還原新一代宇宙探索利器——暗能量光譜儀器的誕生歷程。

一、探索暗能量，構建宇宙三維圖像

1929年，哈勃（Edwin Hubble，1889-1953）通過對河外星系的觀測研究發現，星系的退行速度和距離成正比，即所謂的哈勃定律。星系距離地球越遠，退行速度也越快。這也告訴我們：我們身處的宇宙其實不是靜止的，而是正在不斷膨脹。后來，科學家進一步通過對超新星的觀測研究發現宇宙正在加速膨脹。三位天體物理學家因此獲得2011年諾貝爾物理學獎。

宇宙加速膨脹的發現震驚了整個天體物理界。因為，如果宇宙是由普通物質和暗物質所主導，那么由于引力的作用，宇宙的膨脹將得以減速。這與我們實際的發現相悖。因此，宇宙的加速膨脹說明宇宙中必然存在某種形式能量，能夠產生與引力相反的作用力。宇宙學家們稱這種能夠產生排斥力的能量為“暗能量”。

暗能量的假說是對宇宙加速膨脹最為流行的解釋。宇宙微波背景輻射的觀測表明暗能量約占宇宙總質能密度的68%，其余27%為暗物質，而剩下的5%為普通重子物質。暗能量是一種充滿整個空間且難以察覺的能量形式，目前還未有技術手段可以直接探測。人們通過宇宙中星系的三維分布來間接研究暗能量，從而理解它的本質。

圖1：宇宙中的物質組成，圖片由作者提供。

獲取大量星系的三維分布是探索暗能量的關鍵，其中最為重要的觀測量為紅移。當星系遠離地球時，我們觀測到星系的光譜會發生紅移現象。紅移越大，波長向紅端（即波長更長、頻率更低的方向）移動得越多，對應的退行速度也就越大。根據哈勃定律，測量紅移就能獲得星系的距離。

我們通過照相觀測，可以獲取星系在天空上的二維投影圖像，從而精確獲得它們的投影位置。通過光譜觀測，又可以準確獲得它們視線方向上的距離。因此，利用大視場天文設備開展圖像和光譜巡天觀測，就可以構建出宇宙中物質的三維分布。

圖2：通過光學觀測的兩種重要手段（圖像和光譜觀測）構建三維宇宙。左圖顯示了望遠鏡拍攝單顏色的局部星空照片，里邊包含了許多恒星和星系。對圖像中的天體進行形態測量可以精確給出它們二維平面投影位置。右圖是一個光譜例子，紅移為3.5左右，對應距離超過110億光年。通過對比光譜中被紅移譜線的波長（如圖中紅線標記的位置）和該譜線的靜止波長，可以準確測量紅移，從而可以計算出星系離我們的距離。圖片來自David Kirkby。

二、紅移巡天觀測項目的發展歷程

天文巡天觀測的開展很大程度上推動了天文學的發展。大規模的星系紅移巡天自上世紀80年代就開始了。比如最早的CfA紅移巡天，就獲得了第一張大面積的近鄰宇宙三維地圖。CfA紅移巡天觀測了兩期，獲得了藍波段視星等B<15.5、大約2萬星系的紅移，為我們呈現出了宇宙中的大尺度結構。人們發現在這個近鄰宇宙地圖中星系的分布并不是隨機的，而呈現出了成團性，周圍還存在很多“空洞”。

然而，CfA巡天使用的是一臺1.5米的望遠鏡，每次觀測只能獲取一條光譜，觀測時間跨度長達20多年，這無不顯示了當時的光譜巡天觀測是一項多么耗時的任務。

隨后，在1991-1996年間，Las Campanas紅移巡天（LCRS）采用了多目標光纖光譜技術，獲得了2.6萬個星系的光譜，有效地提高了觀測效率，紅移也提升至z≈0.2。

更進一步的2度視場紅移巡天（2dFGRS）在1997~2002年間利用3.9米AAT望遠鏡測量了約22萬個星系的紅移。它一度成為當時最大的光譜巡天項目，觀測的極限星等達19.5等，紅移提升至z≈0.3。2dFGRS采用了復雜的焦面儀器，其中包括了2度視場的光纖板。該光纖板可以插入400根光纖，即可同時觀測400個天體的光譜，極大地縮短了巡天的周期。

圖3：不同時期開展的星系紅移巡天及其觀測的星系數量分布圖，圖像來自DESI項目。

自2000年開始，SDSS巡天利用一臺2.5米望遠鏡開展了大面積的圖像和光譜觀測。SDSS同時具備多波段測光和多目標光纖光譜觀測的能力，使得它成為迄今為止最具影響力的巡天項目。目前，SDSS已經開展了四期巡天，早期的SDSS I和SDSS II具有640根光纖，到后期升級為1000根光纖。這些光纖都是被人工插入預先鉆孔的鋁板上。SDSS III的BOSS和SDSS IV中的eBOSS巡天是以宇宙學作為關鍵科學目標的巡天，觀測了數百萬的星系的光譜紅移。

SDSS的每個打孔板都是針對特定的天區，需要人工操作才能完成光纖的安裝，這對大規模的光纖光譜觀測是不太可行的。所以，后來人們發展了自動化的光纖定位技術，比如我國的大天區多目標光纖光譜望遠鏡（LAMOST）具有4000根光纖，采用了計算機控制的光纖定位單元進行目標定位。LAMOST是我國自主研制的大科學裝置，在后來的暗能量光譜儀器建成之前，是世界上光譜獲取能力最大的望遠鏡。

圖4：SDSS（上）和LAMOST（下）的光纖定位對比，圖片分別來自SDSS和LAMOST官網。

三、還原最強觀測項目——DESI

在SDSS開展宇宙學紅移巡天的過程中，天文學家就在醞釀新一代宇宙學紅移巡天項目，包括暗能量光譜儀器（Dark Energy Spectroscopic Instrument, DESI）。DESI早期被稱為BigBOSS，計劃改造美國國家光學天文臺的一臺現有的4米望遠鏡，在其主焦點位置上安裝5000個自動控制的光纖定位機器人，以此做到同時觀測5000條天體的光譜。DESI的光纖總數比LAMOST還要多1000根。它計劃利用5年的時間觀測超過3千萬星系的光譜，從而研究宇宙暗能量，試圖揭開暗能量的神秘面紗。

DESI是美國能源部支持的國際合作項目。早在2012年，項目團隊就向美國能源部提交了關于第四代暗能量光譜巡天的任務需求，在2015年時DESI項目被能源部選中。翌年6月，DESI就開始開工建設，項目總投資經費約為6000萬美元。

DESI所使用的望遠鏡為美國國家光學天文臺（現在稱為美國國家光學紅外研究實驗室）的4米Mayall望遠鏡。該望遠鏡位于亞利桑那州圖森市附近的基特峰。基特峰海拔大約2000米，距離圖森市約70公里。Mayall望遠鏡是基特峰天文臺最大的光學望遠鏡，在被改造之前，主焦視場只有0.5度，主要用于成像觀測。

圖5：基特峰的夜景，位于最高處的建筑為4米Mayall望遠鏡的圓頂。圖片由作者提供。

作為暗能量探測設備，DESI包含了如下幾個主要部分：主焦改正鏡、主焦面設備、光纖和光譜儀。主焦改正鏡將望遠鏡原來的0.5度視場提升至現在的3度視場。同樣的曝光時間情況下，巡天效率增加了36倍。這得益于位于智利的另外一臺4米望遠鏡Blanco的主焦改正鏡的設計。主焦面設備包含了5000個光纖定位器和固定這些定位器的組件。光纖定位器引導5000根光纖指向特定的觀測目標。

DESI借鑒了LAMOST的很多技術經驗，包括光纖定位技術等。這5000根光纖被分為10束，連接到光譜儀室的10臺光譜儀。DESI的光譜儀采用三通道的設計，光學波段的光譜分辨率大約為R=3000-4000，對應的波長分辨率為1.8埃，能夠分辨出挨得比較近的譜線。目前，DESI是世界上已建成的具有最多光纖數目的光譜觀測設備。平均每20分鐘就能獲取5000條光譜，這使得DESI成為名副其實的巨型光譜生產機器。

圖6：左圖為Mayall望遠鏡實物照片，右圖為望遠鏡的結構圖和DESI的不同組成部分，圖片來自DESI項目。

DESI的焦面位于望遠鏡的主焦點上，焦平面分布5000個自動光纖定位器。每500個定位器形成一組，被固定在一個扇形構件中。總共10組形成一個直徑為81cm的環形焦面裝置。每個光纖定位器由兩個電機組成，能夠在6mm（85角秒）的半徑范圍內自由運動。

每個光纖定位器都攜帶一根光纖，光纖長度近48米，直徑為107微米（對應角尺度約為1.5角秒）。光纖定位器的定位精度達5微米，對應角尺度為0.07角秒。這相當于將成人的0.1毫米的頭發絲放到300米之外對應的張角，足以見識DESI的定位精度。

圖7：DESI的主焦面設備和光纖定位器，圖片來自DESI項目。

DESI通過對大量星系的光譜紅移測量，獲取宇宙大尺度結構的物質分布，從而提取暗能量的信息。為了滿足既定的宇宙學測量的精度需求，DESI需要觀測14000平方度范圍內3500萬個星系的光譜。

DESI觀測的星系目標分為4大類：紅移z<0.4的亮星系、0.4<z<1的亮紅星系、0.6<z<1.6的發射線星系和1<z<3.5的類星體。這四類天體覆蓋不同的紅移范圍，其中發射線星系占據了所有目標的50%。發射線星系即具有恒星形成活動的星系，能夠在光譜中產生強的發射線。通過測量發射線的位置可以準確獲得星系的紅移。利用發射線星系，我們可以探測95億年前的宇宙。而類星體的觀測則能夠追溯到宇宙117億年前。

圖8：不同DESI觀測目標覆蓋的紅移和示蹤的宇宙距離，圖中左側坐標為紅移，右側坐標是對應的距離，圖片來自DESI項目。

除了星系外，DESI也將觀測近千萬顆銀河系恒星的光譜。銀河系是宇宙中普通星系的一員，但卻是我們人類生活的家園。通過對銀河系的恒星進行普查，可以了解銀河系的很多細節，有助于進一步理解星系的形成和演化歷史。

之前，銀河系恒星是LAMOST的主要觀測對象。而DESI的觀測深度比LAMOST深3星等，探測的距離遠4倍。LAMOST在2012年正式開始巡天，目前觀測了上千萬顆恒星的光譜。LAMOST觀測亮度亮于17等左右的恒星，而DESI觀測暗至20等的恒星。兩者協同，形成巨大的互補優勢，能夠更好地探索我們的銀河系。

四、中國團隊成功入選

正如以往的光譜巡天觀測，DESI首先需要多波段的圖像數據進行光譜目標選取。DESI相對以往光譜巡天項目探測宇宙距離更遠，觀測目標也更暗，因此需要比以往圖像巡天觀測深度更深的大天區面積數據。

DESI必須想辦法在其建成之前完成14000平方度的三個光學波段的圖像觀測。這三個波段的平均深度比SDSS深約2個星等。由于時間緊迫，DESI在全球范圍內尋求國際合作，希望盡快找到合適的團隊和望遠鏡設備來完成這項艱巨的任務。

圖9：本文作者（右）于2015年與DESI項目科學家David Schlegel（左）商討中國參與DESI巡天的具體合作，圖片由作者提供。

當時備選的望遠鏡設備總共有6臺，包括位于智利的4米Blanco望遠鏡、位于美國亞利桑那州的4米Mayall望遠鏡、3.5米WIYN望遠鏡和2.3米Bok望遠鏡、位于夏威夷的3.5米CFHT望遠鏡以及位于美國加利福尼亞州的1.2米Oschin望遠鏡。經過多次評估和測試，最終選擇了中國科學院國家天文臺、美國國家光學天文臺和美國勞倫斯伯克利實驗室分別利用三臺不同的望遠鏡開展不同天區和不同波段的觀測。

中國團隊前期和亞利桑那大學合作，利用Bok望遠鏡成功實施了南銀冠u波段巡天，積累了大量的經驗，并且受到國際同行的認可。項目團隊人員、望遠鏡觀測和運行以及數據處理和管理等方面都能夠得到充分保障，這使得中國團隊在這次競爭中勝出。

DESI圖像巡天分成三個子巡天項目，包括北京-亞利桑那巡天（BASS）、MzLS巡天和DECaLS巡天。BASS巡天是由中國科學院國家天文臺主導，并聯合美國亞利桑那大學利用其2.3米Bok望遠鏡對北銀冠5000平方度開展g和r波段的觀測。BASS巡天于2014年提出，被選為望遠鏡訪問計劃（TAP）的重點課題，同時受到了中國科學院戰略性先導科技專項（B類）“宇宙結構起源”和國際合作重點項目的支持。

MzLS巡天由美國國家光學天文臺負責實施，利用4米Mayall望遠鏡開展BASS相同區域的z波段觀測。這臺望遠鏡就是后來DESI巡天所使用的望遠鏡，在未進行改造前用于MzLS巡天觀測。DECaLS是美國勞倫斯伯克利國家實驗室負責實施，利用4米Blanco望遠鏡進行三個波段的觀測。

圖10：DESI圖像巡天的組成和使用的設備。圖片由筆者提供。

DESI圖像巡天觀測是從2014年開始，于2019年結束，歷時5年，為未來的光譜巡天奠定了基礎。總共觀測天數將近1000日，這是望遠鏡申請使用時間少有的記錄。巡天觀測是一項較單調并且耗時耗力的工作，飽含了各團隊成員的辛勤付出和無私奉獻。圖像巡天團隊進行了頻繁的交流和研討，平均每半年發布一個數據產品。最終的數據產品為DR9，于2021年1月釋放。

中外科學家還對此次數據釋放進行了聯合發布，對全世界公開展示了巨幅宇宙二維地圖。該數據包含了2萬平方度的三波段圖像和對應的星表數據，其中星表產品給出了16億天體的測量信息。DESI就是從這些天體中挑選不同的目標進行光譜觀測。至此，DESI完成了項目中最為關鍵的一環。

圖11：參與圖像巡天觀測的部分觀測者照片，圖片由作者提供。

圖12：DESI圖像巡天DR9數據發布的巨幅宇宙二維地圖，圖片來自DESI項目。

五、DESI再啟，目標暗能量巡天

在2018年2月MzLS巡天結束之后，DESI項目團隊對4米Mayall望遠鏡進行了全面的改造并安裝了相應的設備。在此之前，DESI項目團隊于2016年制造了一臺小型的原型機，并在望遠鏡上進行了測試，主要目的是測試光纖定位等關鍵技術。2018至2019年間，DESI開展了大規模的建設和儀器安裝調試。

DESI的初光觀測是在2019年10月22日進行的。當時DESI整個儀器還沒有完全到位，只有一個扇面的光纖定位器可以工作，光譜儀也沒有完全安裝好。但至少有一臺攝譜儀是可以工作的。所以，在那天晚上，DESI的重要人物都聚集在Mayall望遠鏡的圓頂里，整個DESI國際合作團隊也都期待第一條光譜的誕生。

圖13：現場慶祝DESI成功初光觀測的人員合影，圖片來自DESI項目。

當前晚上，第一條光譜是隨機拍攝的一顆恒星，隨后又觀測了三角座星系M33和加州星云。觀測的光譜質量很好，在星云的光譜中探測大量的[OII]雙發射線。DESI光譜儀能夠很容易地對該雙線進行分辨，這些發射線是星系紅移測量的關鍵譜線。

圖14：DESI初光觀測時拍攝M33的一條光譜。整個光譜分為三段，用三種不同的顏色表示。圖片來自DESI項目。

在初光觀測后不久，DESI的大部分儀器設備基本準備就緒，項目團隊在2019年12月就著手開展試運行觀測。按照計劃，DESI試運行時間為6個月。在試運行期間，各方面調試占用了大部分的時間。不幸的是2020年3月份因新冠疫情，整個天文臺站除了少量的運行人員外，其余人員全部居家辦公，所有望遠鏡設備全部關閉。DESI因此也被迫停止運行，直到2020年11月，DESI重新啟動，并開展了為期1個月左右的重新試運行。

2020年12月開始，DESI進入巡天驗證階段。通過制定特定的觀測策略，對觀測目標選擇、儀器的軟硬件狀態以及巡天的關鍵參數等進行評估和優化。經過五個月的時間，DESI運行狀態日趨穩定。在試觀測和巡天驗證過程中，DESI觀測的星系光譜數量就已經超過以往所有的巡天觀測的數量總和。這足以說明了DESI超高的觀測效率。在正式巡天開始前，DESI就已經完成1%的巡天計劃。DESI項目科學家DavidSchlegel引用了中國古代哲學家老子的名言“千里之行，始于足下”來表達當時的心情。

圖15：DESI完成1%的巡天的報告首頁。圖片來自David Schlegel。

2021年5月17日，DESI團隊宣布暗能量光譜巡天正式開始，為期5年。DESI巡天是第四代宇宙學紅移巡天項目中第一個開始的項目。中國有兩個團隊作為正式成員參與了DESI國際合作。上海交通大學作為整體單位加入了DESI項目。另外一個團隊是因BASS巡天的實物貢獻加入了DESI項目。其中，BASS項目核心成員是DESI的創始成員，同時國家天文臺、清華大學和北京大學的部分天文學家因BASS的貢獻加入了DESI項目，成為了該項目的正式成員。

圖16：DESI組織合作者參與在線慶祝項目正式運行的慶祝活動，圖片由作者提供。

圖17：DESI為創始成員頒發紀念牌匾，BASS項目核心成員人手一份。

圖18：DESI正式巡天的觀測視場（藍色區域），背景星系為仙女座星系M31。圖中展示了一條經過定標處理后紅移3左右的遠距離類星體光譜（距離約110億光年）。圖片來自DESI項目。

DESI正式巡天的開始意味著未來五年時間它將獲取3500萬星系的光譜。與以往的巡天項目相比，DESI獲取的星系光譜數量超過以往巡天觀測總數的10倍。這些光譜能夠提供第三維度的測量，使得人們可以精細地探索三維宇宙，從而構造出最大的宇宙三維地圖。

在過去十多年時間，DESI為實現這個目標做了大量的準備并付出了艱辛的努力，來自世界各地的科學家對DESI上千個部件進行了大量的測試并對光譜巡天觀測進行了充分驗證。DESI平均每年都會舉行兩次國際合作會議，探討最新的項目進展和科學準備等。現在DESI已經準備就緒，正朝著實現既定的科學目標前進。 

圖19：2018年度DESI國際合作會議合影，圖片由作者提供。

我們見證了SDSS巡天取得的巨大成功。DESI同時提供比SDSS深度更深的圖像和光譜數據，為全世界天文研究者提供可傳世的數據遺產。這些數據不僅將在宇宙學暗能量研究中發揮關鍵作用，同時還能用于銀河系、河外星系和大尺度結構等其他天體物理研究，幫助我們進一步了解宇宙的起源和演化。

我們非常期待接下來5年DESI如期完成巡天觀測，并期待基于巡天數據的重大科學成果。參與這些國際合作的另一個目的是為未來我國光學天文巡天做準備。未來十年內，中國將建設一批地面和空間巡天望遠鏡，現在也涌現了一批從事巡天工作的中堅力量，希望能夠打造出真正的“中國光學天文的黃金時代”。

參考文獻： 

1.  CfA巡天網站：https://lweb.cfa./~dfabricant/huchra/zcat/

2.  LCRS巡天網站：http://www.astro./~wright/lcrs.html

3.  2dFGRS網站：http://www./

4.  SDSS巡天網站: https://www./

5.  LAMOST網站：http://www./public/?locale=en

6.  DESI圖像巡天網站：https://www./

7.  DESI官方網站：https://www.desi./

本文來自微信公眾號：賽先生（ID：mrscience100），作者：鄒虎（中國科學院國家天文臺）