世界最强光谱巡天项目长啥样？

本文来自微信公众号：赛先生（ID：mrscience100），作者：邹虎（中国科学院国家天文台），责编：韩越扬、吕浩然，原文标题：《高度还原——世界最强光谱巡天项目长啥样？ | 赛先生天文》，图片由作者提供

暗物质与暗能量，人类现在仍无法直接观测。但请注意，“无法直接观测”并不代表人类就对其束手无策，间接观测、侧面证明的方法比比皆是，光学巡天项目就是其中之一。

本期赛先生天文，让我们跟随作者一起，回顾人类光谱巡天项目的发展历程，并请他还原新一代宇宙探索利器——暗能量光谱仪器的诞生历程。

一、探索暗能量，构建宇宙三维图像

1929年，哈勃（Edwin Hubble，1889-1953）通过对河外星系的观测研究发现，星系的退行速度和距离成正比，即所谓的哈勃定律。星系距离地球越远，退行速度也越快。这也告诉我们：我们身处的宇宙其实不是静止的，而是正在不断膨胀。后来，科学家进一步通过对超新星的观测研究发现宇宙正在加速膨胀。三位天体物理学家因此获得2011年诺贝尔物理学奖。

宇宙加速膨胀的发现震惊了整个天体物理界。因为，如果宇宙是由普通物质和暗物质所主导，那么由于引力的作用，宇宙的膨胀将得以减速。这与我们实际的发现相悖。因此，宇宙的加速膨胀说明宇宙中必然存在某种形式能量，能够产生与引力相反的作用力。宇宙学家们称这种能够产生排斥力的能量为“暗能量”。

暗能量的假说是对宇宙加速膨胀最为流行的解释。宇宙微波背景辐射的观测表明暗能量约占宇宙总质能密度的68%，其余27%为暗物质，而剩下的5%为普通重子物质。暗能量是一种充满整个空间且难以察觉的能量形式，目前还未有技术手段可以直接探测。人们通过宇宙中星系的三维分布来间接研究暗能量，从而理解它的本质。

图1：宇宙中的物质组成，图片由作者提供。

获取大量星系的三维分布是探索暗能量的关键，其中最为重要的观测量为红移。当星系远离地球时，我们观测到星系的光谱会发生红移现象。红移越大，波长向红端（即波长更长、频率更低的方向）移动得越多，对应的退行速度也就越大。根据哈勃定律，测量红移就能获得星系的距离。

我们通过照相观测，可以获取星系在天空上的二维投影图像，从而精确获得它们的投影位置。通过光谱观测，又可以准确获得它们视线方向上的距离。因此，利用大视场天文设备开展图像和光谱巡天观测，就可以构建出宇宙中物质的三维分布。

图2：通过光学观测的两种重要手段（图像和光谱观测）构建三维宇宙。左图显示了望远镜拍摄单颜色的局部星空照片，里边包含了许多恒星和星系。对图像中的天体进行形态测量可以精确给出它们二维平面投影位置。右图是一个光谱例子，红移为3.5左右，对应距离超过110亿光年。通过对比光谱中被红移谱线的波长（如图中红线标记的位置）和该谱线的静止波长，可以准确测量红移，从而可以计算出星系离我们的距离。图片来自David Kirkby。

二、红移巡天观测项目的发展历程

天文巡天观测的开展很大程度上推动了天文学的发展。大规模的星系红移巡天自上世纪80年代就开始了。比如最早的CfA红移巡天，就获得了第一张大面积的近邻宇宙三维地图。CfA红移巡天观测了两期，获得了蓝波段视星等B<15.5、大约2万星系的红移，为我们呈现出了宇宙中的大尺度结构。人们发现在这个近邻宇宙地图中星系的分布并不是随机的，而呈现出了成团性，周围还存在很多“空洞”。

然而，CfA巡天使用的是一台1.5米的望远镜，每次观测只能获取一条光谱，观测时间跨度长达20多年，这无不显示了当时的光谱巡天观测是一项多么耗时的任务。

随后，在1991-1996年间，Las Campanas红移巡天（LCRS）采用了多目标光纤光谱技术，获得了2.6万个星系的光谱，有效地提高了观测效率，红移也提升至z≈0.2。

更进一步的2度视场红移巡天（2dFGRS）在1997~2002年间利用3.9米AAT望远镜测量了约22万个星系的红移。它一度成为当时最大的光谱巡天项目，观测的极限星等达19.5等，红移提升至z≈0.3。2dFGRS采用了复杂的焦面仪器，其中包括了2度视场的光纤板。该光纤板可以插入400根光纤，即可同时观测400个天体的光谱，极大地缩短了巡天的周期。

图3：不同时期开展的星系红移巡天及其观测的星系数量分布图，图像来自DESI项目。

自2000年开始，SDSS巡天利用一台2.5米望远镜开展了大面积的图像和光谱观测。SDSS同时具备多波段测光和多目标光纤光谱观测的能力，使得它成为迄今为止最具影响力的巡天项目。目前，SDSS已经开展了四期巡天，早期的SDSS I和SDSS II具有640根光纤，到后期升级为1000根光纤。这些光纤都是被人工插入预先钻孔的铝板上。SDSS III的BOSS和SDSS IV中的eBOSS巡天是以宇宙学作为关键科学目标的巡天，观测了数百万的星系的光谱红移。

SDSS的每个打孔板都是针对特定的天区，需要人工操作才能完成光纤的安装，这对大规模的光纤光谱观测是不太可行的。所以，后来人们发展了自动化的光纤定位技术，比如我国的大天区多目标光纤光谱望远镜（LAMOST）具有4000根光纤，采用了计算机控制的光纤定位单元进行目标定位。LAMOST是我国自主研制的大科学装置，在后来的暗能量光谱仪器建成之前，是世界上光谱获取能力最大的望远镜。

图4：SDSS（上）和LAMOST（下）的光纤定位对比，图片分别来自SDSS和LAMOST官网。

三、还原最强观测项目——DESI

在SDSS开展宇宙学红移巡天的过程中，天文学家就在酝酿新一代宇宙学红移巡天项目，包括暗能量光谱仪器（Dark Energy Spectroscopic Instrument, DESI）。DESI早期被称为BigBOSS，计划改造美国国家光学天文台的一台现有的4米望远镜，在其主焦点位置上安装5000个自动控制的光纤定位机器人，以此做到同时观测5000条天体的光谱。DESI的光纤总数比LAMOST还要多1000根。它计划利用5年的时间观测超过3千万星系的光谱，从而研究宇宙暗能量，试图揭开暗能量的神秘面纱。

DESI是美国能源部支持的国际合作项目。早在2012年，项目团队就向美国能源部提交了关于第四代暗能量光谱巡天的任务需求，在2015年时DESI项目被能源部选中。翌年6月，DESI就开始开工建设，项目总投资经费约为6000万美元。

DESI所使用的望远镜为美国国家光学天文台（现在称为美国国家光学红外研究实验室）的4米Mayall望远镜。该望远镜位于亚利桑那州图森市附近的基特峰。基特峰海拔大约2000米，距离图森市约70公里。Mayall望远镜是基特峰天文台最大的光学望远镜，在被改造之前，主焦视场只有0.5度，主要用于成像观测。

图5：基特峰的夜景，位于最高处的建筑为4米Mayall望远镜的圆顶。图片由作者提供。

作为暗能量探测设备，DESI包含了如下几个主要部分：主焦改正镜、主焦面设备、光纤和光谱仪。主焦改正镜将望远镜原来的0.5度视场提升至现在的3度视场。同样的曝光时间情况下，巡天效率增加了36倍。这得益于位于智利的另外一台4米望远镜Blanco的主焦改正镜的设计。主焦面设备包含了5000个光纤定位器和固定这些定位器的组件。光纤定位器引导5000根光纤指向特定的观测目标。

DESI借鉴了LAMOST的很多技术经验，包括光纤定位技术等。这5000根光纤被分为10束，连接到光谱仪室的10台光谱仪。DESI的光谱仪采用三通道的设计，光学波段的光谱分辨率大约为R=3000-4000，对应的波长分辨率为1.8埃，能够分辨出挨得比较近的谱线。目前，DESI是世界上已建成的具有最多光纤数目的光谱观测设备。平均每20分钟就能获取5000条光谱，这使得DESI成为名副其实的巨型光谱生产机器。

图6：左图为Mayall望远镜实物照片，右图为望远镜的结构图和DESI的不同组成部分，图片来自DESI项目。

DESI的焦面位于望远镜的主焦点上，焦平面分布5000个自动光纤定位器。每500个定位器形成一组，被固定在一个扇形构件中。总共10组形成一个直径为81cm的环形焦面装置。每个光纤定位器由两个电机组成，能够在6mm（85角秒）的半径范围内自由运动。

每个光纤定位器都携带一根光纤，光纤长度近48米，直径为107微米（对应角尺度约为1.5角秒）。光纤定位器的定位精度达5微米，对应角尺度为0.07角秒。这相当于将成人的0.1毫米的头发丝放到300米之外对应的张角，足以见识DESI的定位精度。

图7：DESI的主焦面设备和光纤定位器，图片来自DESI项目。

DESI通过对大量星系的光谱红移测量，获取宇宙大尺度结构的物质分布，从而提取暗能量的信息。为了满足既定的宇宙学测量的精度需求，DESI需要观测14000平方度范围内3500万个星系的光谱。

DESI观测的星系目标分为4大类：红移z<0.4的亮星系、0.4<z<1的亮红星系、0.6<z<1.6的发射线星系和1<z<3.5的类星体。这四类天体覆盖不同的红移范围，其中发射线星系占据了所有目标的50%。发射线星系即具有恒星形成活动的星系，能够在光谱中产生强的发射线。通过测量发射线的位置可以准确获得星系的红移。利用发射线星系，我们可以探测95亿年前的宇宙。而类星体的观测则能够追溯到宇宙117亿年前。

图8：不同DESI观测目标覆盖的红移和示踪的宇宙距离，图中左侧坐标为红移，右侧坐标是对应的距离，图片来自DESI项目。

除了星系外，DESI也将观测近千万颗银河系恒星的光谱。银河系是宇宙中普通星系的一员，但却是我们人类生活的家园。通过对银河系的恒星进行普查，可以了解银河系的很多细节，有助于进一步理解星系的形成和演化历史。

之前，银河系恒星是LAMOST的主要观测对象。而DESI的观测深度比LAMOST深3星等，探测的距离远4倍。LAMOST在2012年正式开始巡天，目前观测了上千万颗恒星的光谱。LAMOST观测亮度亮于17等左右的恒星，而DESI观测暗至20等的恒星。两者协同，形成巨大的互补优势，能够更好地探索我们的银河系。

四、中国团队成功入选

正如以往的光谱巡天观测，DESI首先需要多波段的图像数据进行光谱目标选取。DESI相对以往光谱巡天项目探测宇宙距离更远，观测目标也更暗，因此需要比以往图像巡天观测深度更深的大天区面积数据。

DESI必须想办法在其建成之前完成14000平方度的三个光学波段的图像观测。这三个波段的平均深度比SDSS深约2个星等。由于时间紧迫，DESI在全球范围内寻求国际合作，希望尽快找到合适的团队和望远镜设备来完成这项艰巨的任务。

图9：本文作者（右）于2015年与DESI项目科学家David Schlegel（左）商讨中国参与DESI巡天的具体合作，图片由作者提供。

当时备选的望远镜设备总共有6台，包括位于智利的4米Blanco望远镜、位于美国亚利桑那州的4米Mayall望远镜、3.5米WIYN望远镜和2.3米Bok望远镜、位于夏威夷的3.5米CFHT望远镜以及位于美国加利福尼亚州的1.2米Oschin望远镜。经过多次评估和测试，最终选择了中国科学院国家天文台、美国国家光学天文台和美国劳伦斯伯克利实验室分别利用三台不同的望远镜开展不同天区和不同波段的观测。

中国团队前期和亚利桑那大学合作，利用Bok望远镜成功实施了南银冠u波段巡天，积累了大量的经验，并且受到国际同行的认可。项目团队人员、望远镜观测和运行以及数据处理和管理等方面都能够得到充分保障，这使得中国团队在这次竞争中胜出。

DESI图像巡天分成三个子巡天项目，包括北京-亚利桑那巡天（BASS）、MzLS巡天和DECaLS巡天。BASS巡天是由中国科学院国家天文台主导，并联合美国亚利桑那大学利用其2.3米Bok望远镜对北银冠5000平方度开展g和r波段的观测。BASS巡天于2014年提出，被选为望远镜访问计划（TAP）的重点课题，同时受到了中国科学院战略性先导科技专项（B类）“宇宙结构起源”和国际合作重点项目的支持。

MzLS巡天由美国国家光学天文台负责实施，利用4米Mayall望远镜开展BASS相同区域的z波段观测。这台望远镜就是后来DESI巡天所使用的望远镜，在未进行改造前用于MzLS巡天观测。DECaLS是美国劳伦斯伯克利国家实验室负责实施，利用4米Blanco望远镜进行三个波段的观测。

图10：DESI图像巡天的组成和使用的设备。图片由笔者提供。

DESI图像巡天观测是从2014年开始，于2019年结束，历时5年，为未来的光谱巡天奠定了基础。总共观测天数将近1000日，这是望远镜申请使用时间少有的记录。巡天观测是一项较单调并且耗时耗力的工作，饱含了各团队成员的辛勤付出和无私奉献。图像巡天团队进行了频繁的交流和研讨，平均每半年发布一个数据产品。最终的数据产品为DR9，于2021年1月释放。

中外科学家还对此次数据释放进行了联合发布，对全世界公开展示了巨幅宇宙二维地图。该数据包含了2万平方度的三波段图像和对应的星表数据，其中星表产品给出了16亿天体的测量信息。DESI就是从这些天体中挑选不同的目标进行光谱观测。至此，DESI完成了项目中最为关键的一环。

图11：参与图像巡天观测的部分观测者照片，图片由作者提供。

图12：DESI图像巡天DR9数据发布的巨幅宇宙二维地图，图片来自DESI项目。

五、DESI再启，目标暗能量巡天

在2018年2月MzLS巡天结束之后，DESI项目团队对4米Mayall望远镜进行了全面的改造并安装了相应的设备。在此之前，DESI项目团队于2016年制造了一台小型的原型机，并在望远镜上进行了测试，主要目的是测试光纤定位等关键技术。2018至2019年间，DESI开展了大规模的建设和仪器安装调试。

DESI的初光观测是在2019年10月22日进行的。当时DESI整个仪器还没有完全到位，只有一个扇面的光纤定位器可以工作，光谱仪也没有完全安装好。但至少有一台摄谱仪是可以工作的。所以，在那天晚上，DESI的重要人物都聚集在Mayall望远镜的圆顶里，整个DESI国际合作团队也都期待第一条光谱的诞生。

图13：现场庆祝DESI成功初光观测的人员合影，图片来自DESI项目。

当前晚上，第一条光谱是随机拍摄的一颗恒星，随后又观测了三角座星系M33和加州星云。观测的光谱质量很好，在星云的光谱中探测大量的[OII]双发射线。DESI光谱仪能够很容易地对该双线进行分辨，这些发射线是星系红移测量的关键谱线。

图14：DESI初光观测时拍摄M33的一条光谱。整个光谱分为三段，用三种不同的颜色表示。图片来自DESI项目。

在初光观测后不久，DESI的大部分仪器设备基本准备就绪，项目团队在2019年12月就着手开展试运行观测。按照计划，DESI试运行时间为6个月。在试运行期间，各方面调试占用了大部分的时间。不幸的是2020年3月份因新冠疫情，整个天文台站除了少量的运行人员外，其余人员全部居家办公，所有望远镜设备全部关闭。DESI因此也被迫停止运行，直到2020年11月，DESI重新启动，并开展了为期1个月左右的重新试运行。

2020年12月开始，DESI进入巡天验证阶段。通过制定特定的观测策略，对观测目标选择、仪器的软硬件状态以及巡天的关键参数等进行评估和优化。经过五个月的时间，DESI运行状态日趋稳定。在试观测和巡天验证过程中，DESI观测的星系光谱数量就已经超过以往所有的巡天观测的数量总和。这足以说明了DESI超高的观测效率。在正式巡天开始前，DESI就已经完成1%的巡天计划。DESI项目科学家DavidSchlegel引用了中国古代哲学家老子的名言“千里之行，始于足下”来表达当时的心情。

图15：DESI完成1%的巡天的报告首页。图片来自David Schlegel。

2021年5月17日，DESI团队宣布暗能量光谱巡天正式开始，为期5年。DESI巡天是第四代宇宙学红移巡天项目中第一个开始的项目。中国有两个团队作为正式成员参与了DESI国际合作。上海交通大学作为整体单位加入了DESI项目。另外一个团队是因BASS巡天的实物贡献加入了DESI项目。其中，BASS项目核心成员是DESI的创始成员，同时国家天文台、清华大学和北京大学的部分天文学家因BASS的贡献加入了DESI项目，成为了该项目的正式成员。

图16：DESI组织合作者参与在线庆祝项目正式运行的庆祝活动，图片由作者提供。

图17：DESI为创始成员颁发纪念牌匾，BASS项目核心成员人手一份。

图18：DESI正式巡天的观测视场（蓝色区域），背景星系为仙女座星系M31。图中展示了一条经过定标处理后红移3左右的远距离类星体光谱（距离约110亿光年）。图片来自DESI项目。

DESI正式巡天的开始意味着未来五年时间它将获取3500万星系的光谱。与以往的巡天项目相比，DESI获取的星系光谱数量超过以往巡天观测总数的10倍。这些光谱能够提供第三维度的测量，使得人们可以精细地探索三维宇宙，从而构造出最大的宇宙三维地图。

在过去十多年时间，DESI为实现这个目标做了大量的准备并付出了艰辛的努力，来自世界各地的科学家对DESI上千个部件进行了大量的测试并对光谱巡天观测进行了充分验证。DESI平均每年都会举行两次国际合作会议，探讨最新的项目进展和科学准备等。现在DESI已经准备就绪，正朝着实现既定的科学目标前进。 

图19：2018年度DESI国际合作会议合影，图片由作者提供。

我们见证了SDSS巡天取得的巨大成功。DESI同时提供比SDSS深度更深的图像和光谱数据，为全世界天文研究者提供可传世的数据遗产。这些数据不仅将在宇宙学暗能量研究中发挥关键作用，同时还能用于银河系、河外星系和大尺度结构等其他天体物理研究，帮助我们进一步了解宇宙的起源和演化。

我们非常期待接下来5年DESI如期完成巡天观测，并期待基于巡天数据的重大科学成果。参与这些国际合作的另一个目的是为未来我国光学天文巡天做准备。未来十年内，中国将建设一批地面和空间巡天望远镜，现在也涌现了一批从事巡天工作的中坚力量，希望能够打造出真正的“中国光学天文的黄金时代”。

参考文献： 

1.  CfA巡天网站：https://lweb.cfa.harvard.edu/~dfabricant/huchra/zcat/

2.  LCRS巡天网站：http://www.astro.ucla.edu/~wright/lcrs.html

3.  2dFGRS网站：http://www.2dfgrs.net/

4.  SDSS巡天网站: https://www.sdss.org/

5.  LAMOST网站：http://www.lamost.org/public/?locale=en

6.  DESI图像巡天网站：https://www.legacysurvey.org/

7.  DESI官方网站：https://www.desi.lbl.gov/

本文来自微信公众号：赛先生（ID：mrscience100），作者：邹虎（中国科学院国家天文台）