斯隆数字化巡天：绘制宇宙的三维图像

2014-04-15茅倾青

天文爱好者 2014年5期

关键词：类星体巡天银河系

□ 茅倾青

斯隆数字化巡天：绘制宇宙的三维图像

□ 茅倾青

作者茅倾青曾就读于复旦大学物理系，现为范德堡大学（Vanderbilt University）的博士研究生，师从于Andreas Berlind教授，长期使用SDSS数据，主要研究方向为宇宙的大尺度结构和宇宙学。

图1 日落时分的SDSS望远镜（拍摄：David Kirkby）。

在美国新墨西哥州，靠近著名的白沙国家公园，有一座山顶上坐落着一台很特别的天文望远镜。它十几年如一日地扫视着夜空，长期进行着一项特殊的天文观测任务。这个项目称为斯隆数字化巡天（Sloan Digital Sky Survey，简称SDSS），其主要目标是为我们的宇宙绘制一张三维的图像！

不同于针对特定天体进行观测，天文巡天是对大范围的海量目标进行统一的观测。巡天的概念其实由来已久。早在数字CCD出现以前，天文学家就曾试着使用照相底板对大片天区进行逐块地拍照。而今我们已进入了全数字化巡天的时代。巡天一方面可以帮助天文学家建立全面的天体目录。而更重要的是，巡天能给我们带来大量统一的数据，使得天文学家可以从统计的角度来研究我们的宇宙。

天文学家们并不满足于获得天体的二维图像，还想知道天体的更多信息。比如，想要完整地了解宇宙的大尺度结构，我们必须知道星系在三维空间中的分布。这时不仅需要知道星系在天球上的位置，还需要知道星系的距离。哈勃定律告诉我们，遥远星系的红移与它们的距离成正比。为了推算星系的距离，我们需要采集每个星系的光谱来精确测量其红移，于是就有了光谱红移巡天的概念。

除了红移，不同天体的光谱还可以告诉我们很多关于天体的故事。比如，恒星光谱可以帮助我们了解其化学组成等参数；星系光谱能告诉我们星系的动力学特性；类星体光谱可以用于研究其中的黑洞的物理性质，甚至能用于探测类星体和我们之间的星系间气体的分布。光谱为我们打开了一扇全新的大门，一个大规模高质量的光谱巡天能大大推动天文学和天体物理学各个领域的研究，而SDSS就是迄今规模最大的光谱巡天项目之一。

图2 SDSS拍摄的M51涡状星系

SDSS小历史

早在上世纪80年代中期，随着CCD技术的迅猛发展以及计算机控制和数据处理能力的大幅跃进，天文学家们便开始设想大规模的数字化光谱巡天项目。斯隆数字化巡天的计划由此诞生。经过了多年的筹划和施工，SDSS望远镜于1998年5月9日进行了首次观测，正式的日常巡天观测开始于2000年。

从2000年到2005年是SDSS的第一阶段（SDSS-I），在此期间SDSS对超过8000平方度的天区进行了五个波段的扫描拍照，并在其中的5700平方度天区里的选取了部分星系和类星体，采集了它们的光谱。SDSS的第二期（SDSS-II）始于2005年，除了继续进行星系光谱巡天，SDSS也开始了一项针对银河系内恒星的巡天，以及一项超新星巡天。到2008年中期，SDSS-III正式开始。第三期增加了专门针对银河系银盘和核球部分的红外光谱巡天，以及一个搜寻太阳系外行星的视向速度巡天。星系和类星体光谱巡天也被推向了更高的红移。

SDSS-III将于2014年中旬完成，第四期SDSS-IV将紧随其后。除了延续并扩展先前针对大尺度结构和银河系演化的巡天项目之外，SDSS-IV还将增加多个全新的任务，包括使用积分视场单元来研究星系动力学和星系演化，针对变星和类星体的时间域光谱巡天（详见下文），以及一个与X射线望远镜eROSITA合作的项目等。在接下来的六年中，SDSS将延续其辉煌，继续帮助我们加深对宇宙的理解。

仪器设备SDSS望远镜

SDSS专用于巡天的望远镜位于美国新墨西哥州的东南部，萨克拉门托山脉上的阿帕奇波因特天文台(Apache Point Observatory，简称APO，北纬32°46′49.30″，西经105° 49′13.50″，海拔2788米)。APO远离城市，大气视宁度极佳，非常适合天文观测。

SDSS望远镜是专为巡天而设计的。出于多方面的考虑，SDSS望远镜有不少区别于传统望远镜的地方。首先，SDSS望远镜并没有建造圆顶建筑，而是只有一个可以移动的小顶棚。在观测时，顶棚会完全移开，望远镜会裸露在外面。为了防风和避免其他光源的干扰，望远镜上安装了一个长方体的保护罩。这样的设计有多个好处：降低了建造成本；降低了建筑和周边空气间的热效应对视宁度的影响，提高了成像质量；最大化地降低了建筑可能对望远镜的遮挡等。

望远镜光学系统的设计采用了大型望远镜常用的RC系统，主镜直径2.5米，副镜直径1.08米，整体焦比f/5。SDSS望远镜的特色之一是拥有一个直径3°的几乎没有畸变的大视场，这相当于6个满月的直径！作为用于巡天的望远镜，拥有一个高质量的超大视场是非常重要的，这让我们可以一次观测更大面积的天区，使得巡天更为高效。

除了主望远镜，SDSS还有一台0.5米口径的测光望远镜，用于在巡天过程中监测大气温度和压力的微弱变化，以助于校准SDSS的巡天数据。测光望远镜位于主望远镜建筑一旁的小圆顶房内。

SDSS相机

图3 APO天文台全景。最左侧的是打开的2.5米口径SDSS望远镜。望远镜关闭时，顶棚可以向左滑动来遮盖住望远镜。顶棚旁边的是0.5米测光望远镜。右后方为ARC3.5米望远镜。照片为面向北方拍摄。

图4 由北侧拍摄的APO全景。后方是2.5米SDSS望远镜，可移动顶棚，以及0.5米测光望远镜。中间为NMSU1.0米望远镜。前方为ARC3.5米望远镜。

SDSS的成像相机是一件杰作。相机包含了30块2048×2048像素的CCD，总像素超过1.25亿，这在当年是非常惊人的规模。30块CCD排列成5×6的阵列，每列对应了u、g、r、i、z五个波段的滤光片。除此之外，两侧还有24块2048×400像素的小CCD，用于校准、测光、对焦等辅助功能。

进行图像巡天时，相机可以运行于一种被称为时间延迟积分（Time Delay and Integration，TDI）的“扫描”模式。在这种模式下，望远镜每次只需对准夜空中的一点，几乎不需要移动。随着天球的转动，天体所成的影像会划过相机的CCD平面，逐次通过每个滤光片，数小时下来便可得到天球上一长条区域的五个波段的照片。反复这样的过程，就可以得到连续的大片天区的数字照片。

SDSS相机前后总共拍摄的区域超过全天区的三分之一，其中很多区域都被扫描了不止一次。其拍摄的海量高质量图像被广泛应用于专业天文学研究，以及各种公民科学项目和科普项目。如今，SDSS相机已经退役，收藏于华盛顿特区的史密森尼博物馆，以纪念其对天文学所做出的巨大贡献。

图5 顶棚可以滑动，在望远镜关闭时保护望远镜。图为顶棚关闭时的样子。

图6 由30片CCD组成的SDSS的成像相机。CCD排列成5×6的阵列，有五个波段的滤色片。

光谱采集

拍摄夜空的图像只是SDSS的第一步，作为一个光谱红移巡天项目，测量天体的光谱才更值得期待。光谱测量要比图像拍摄更为耗时耗力，尤其是对于暗弱的深空天体，往往需要至少几十分钟的曝光时间才能得到符合要求的光谱。如果对一个个天体依次测量光谱，那根本无法在有限的时间里达到我们想要的规模。我们必须要能同时采集成百上千个天体的光谱才行。

SDSS主要的光谱仪器是一对可见光波段的光纤导入式光谱仪，装载于望远镜的底部。其最初设计为可以同时采集640条可见光波段的光谱，SDSS-III时升级为可同时采集1000条光谱，波长覆盖范围在3600Å至10400埃。另外还有为银河系演化巡天项目新建的可同时采集300条红外光谱的高分辨率近红外光谱仪（覆盖1.51至1.7微米波段），以及用于视向速度巡天的可同时观测60颗恒星的干涉光谱仪。

图7 一块用于采集光谱的光纤插板。板上的每个孔都对应了一个天体的位置，孔上会插入光纤，以引导特定天体的光至光谱仪。下方展示了一个已装置好光纤插板并插好光纤的盒子。观测时，整个盒子会被安装到望远镜的底部。（Paul Preuss和Dan Long拍摄制作）

图8 观测人员正在往插板上插光纤，自SDSS-III起，每块板上都需要安装上千根光纤。（Thomas Nash拍摄）

图9 SDSS望远镜底部。两侧绿色盒子中安装着可同时采集上千条天体光谱的光谱仪。

为了能将每个天体的光分别导入光谱仪，需要在望远镜焦平面上每个天体的相应位置安插一根光纤。为了解决光纤定位问题，SDSS采用了一种比较原始粗暴的方法——对每一小片天区制作一块专门的光纤插板。光纤插板的原料是一块直径约80厘米、厚约0.3厘米的铝制圆板。针对每片3°左右的天区，我们首先根据SDSS图像巡天所得数据挑选出想要采集光谱的天体，随后根据这些天体的位置，在圆形光纤插板上的相应位置打出小孔。在观测前，研究人员会预先把上千根光纤手工插到每一个小孔上。待观测时，插好光纤的插板可以整个安装到望远镜底部。此时将望远镜指向对应的天区，每个孔的位置都会精确对应一个特定的天体——恒星、星系、类星体，孔上的光纤会把来自相应的天体的光传导至光谱仪。

使用这样的观测方法，SDSS在一个晴好的夜晚可以采集数千个天体的光谱。为了能完整覆盖大面积的天区，SDSS迄今已经制作了超过6000块这样的光纤插板。如今，很多最新的望远镜，比如我国的LAMOST，已开始使用更为先进的机器人光纤定位技术，相比之下SDSS所采用的方法显得有些原始。然而在SDSS设计建造的当年，这一方案可以说是最行之有效的，而且也便于随后的升级拓展。事实证明了这一方案是成功的——十几年来，SDSS已经使用光纤插板累计测量了超过300万条光谱！

SDSS-III

斯隆数字化巡天的第三期（SDSS-III）开始于2008年，将于2014年中旬正式结束。SDSS-III包含四个主要部分：BOSS、SEGUE-2、APOGEE和MARVELS。

1.重子振荡光谱巡天（Baryon Oscillation Spectroscopic Survey，简称BOSS）延续着SDSS的一大传统项目——测量宇宙的三维大尺度结构。重子声学振荡是传播于早期宇宙的等离子体中的密度波，这些早期的波会在今日宇宙的物质分布上留下痕迹。通过测量大量星系和类星体的红移，我们可以绘出一张星系和类星体的三维地图，从中探寻重子声学振荡的痕迹。不仅如此，类星体光谱还可以帮助我们探测星系间的中性氢，描绘宇宙中气体的三维分布。这些三维大尺度结构可以用来研究宇宙的起源和演化。BOSS总共会测量10000平方度天区里的超过150万个亮星系和16万个高红移类星体的光谱，星系红移范围远至0.7（相当于约85亿光年的距离），类星体的红移范围在2.2到3之间（相当于距离我们约180亿至210亿光年的范围）。

2.SEGUE-2（Sloan Extension for Galactic Understanding and Exploration 2）是斯隆巡天探索银河系结构的拓展部分，使用了原始的SDSS光谱系统。早先的SEGUE第一期已经测量23万个恒星的光谱，而SEGUE-2会在此基础上再测量12万个恒星的光谱。SEGUE-2侧重于探索银河系的外围——银晕——的结构。结合两期SEGUE数据，天文学家得以研究银晕的动力学和演化历史。SEGUE还帮助天文学家发现了很多此前未知的结构，包括星流和银河系周围的矮星系。

3.APO银河系演化实验（Apache Point Observatory Galactic Evolution Experiment，简称APOGEE）是SDSS探索银河系结构的又一努力。不同于SEGUE侧重银河系外围，APOGEE的目标是观测银河系的银盘、核球和棒状结构。由于银河系的银盘内充满了大量的气体和尘埃，在可见光波段我们很难看得很远，这时必须选择红外波段来帮助我们穿透这“重重迷雾”。为此APOGEE专门建造了一台高分辨率的红外光谱仪，并选择在红外波段非常明亮的红巨星作为其主要观测目标。待SDSS-III完成时，APOGEE将总共采集超过10万颗红巨星的红外光谱，届时我们对银河系的认识必将上一个新台阶。

4.MARVELS全称为多目标APO视向速度外星行星大面积巡天（Multi-Object APO Radial Velocity Exoplanet Large-area Survey）。顾名思义，这个项目的目标是通过视向速度法来寻找外星行星，其设计灵敏度特别适合于探测巨行星至褐矮星大小的天体。MARVELS会持续监测1万颗主序星和1千颗巨星的视向速度，所得的数据可以帮助我们了解巨行星的形成和演化过程。

SDSS-IV

计划中的斯隆数字化巡天第四期（SDSS-IV）将于2014年中旬正式开始，为期六年。目前先期准备工作和仪器测试等都已陆续展开。SDSS-IV将包含eBOSS、APOGEE-2和MaNGA三大板块，其中又各包含一些子项目。

1.eBOSS（Extended Baryon Oscillation Spectroscopic Survey）是BOSS项目的延伸。BOSS的星系红移最高到0.7左右，而eBOSS会将红移上限推进到1.0。更特别的是，eBOSS对类星体的观测将会大大增强，其目标是红移0.9至3.5之间的约74万个类星体。这其中包括了从未被任何巡天项目所探索过的红移范围。eBOSS所覆盖总体积将会数倍于目前的BOSS，这样的规模也是前所未见的。

除了主项目之外，eBOSS还有两个子项目。TDSS是一个时间域光谱巡天（Time-Domain Spectroscopic Survey），将会跟踪测量约10万个变星和类星体的光谱，增强我们对于恒星物理和类星体物理的认识。SPIDERS（SPectroscopic IDentification of ERosita Sources）是一个和eROSITA卫星合作的项目。将于2015年发射的eROSITA是新一代的X射线太空望远镜，而SPIDERS将使用SDSS光谱来辨识和确认eROSITA所找到的X射线类星体和X射线星系团。

2.APOGEE-2是APOGEE项目的扩大计划，预计采集的恒星红外光谱数量将增加到30万条。为了能获得银河系的全貌，除了使用北半球的SDSS望远镜，APOGEE-2还将同时使用位于南半球智利的拉斯坎帕纳斯天文台（Las Campanas Observatory）的2.5米口径杜邦望远镜（du Pont Telescope）。届时，我们将可以得知银河系形成和演化的更多细节。

3.MaNGA（Mapping Nearby Galaxies at APO）是SDSS-IV所引入的一个全新的板块，它将使用积分视场单元（Integral Field Unit，简称IFU）来观测邻近的1万个星系。以往对于一个星系我们只采集一条来自星系中心的光谱。而使用IFU，我们可以对每个星系安放一簇光纤，同时得到来自星系各个部分的多条光谱。这使得我们可以了解每个星系不同部分的速度、表面密度、年龄、化学组分、恒星形成速率等信息，对于星系形成和演化的研究有着重大的意义。

图10 SDSS拍摄的M13武仙座球状星团

数据处理和发布

从望远镜和CCD得到的原始数据，必须经过一系列的处理——比如移除天空背景光、修正大气吸收、根据标准恒星来校准等——才能得到真正可用的数据。这一系列的处理软件被称为“管道”软件（Pipeline）。原始数据“流”过一系列的“管道”，才能得到天体的实际图像和光谱，而这些新数据又可以再流入下一步的管道，以测量红移和化学组分等实用信息。SDSS的管道软件是整个团队合作努力的结果，经过了多年不断的开发和完善。如果没有可靠的管道软件的帮助，SDSS将不可能发布如此高质量的数据。

SDSS团队在数据发布方面保持着优良的传统，几乎每年都会向全球公开发布最新版本的数据。发布的数据中不仅包括基础的图像和光谱，还有大量由SDSS科学家制作的衍生数据，比如类星体表、星系表、恒星和星系参数、莱曼α森林样本等。随同数据一起发布的还有大量用于数据处理的软件，以及详尽的描述和帮助文档。SDSS也提供了多种多样的数据访问方式，即可以在网页界面直接查找某个天体的信息，也可以通过专业的数据库访问方式批量地下载数据。

早在2001年，SDSS就首次公开发布了大量试观测数据。第一版正式数据DR1（Data Release 1）发布于2003年，当时包括了约2000平方度天区的图像数据以及约18万条光谱数据。截至本文撰写时，最新一版的数据是发布于2013年中旬的第十版DR10。DR10的图像数据覆盖了14555平方度天区的多波段数字图像，可分辨的恒星和星系总数超过4亿个！可见光光谱数据包括了1848851条星系光谱、308377条类星体光谱和736484条恒星光谱。另外，还有全新的来自APOGEE项目的57454条红外光谱。如此庞大的数据，都可以从SDSS的网站上免费获取。

科学成果

极其丰富而又专业的数据，加上便利的访问方式，使得SDSS数据被广泛应用于专业天文学研究，所涉及的领域近有太阳系周围的恒星，远至靠近可观测宇宙边缘的类星体，小到小行星，大到宇宙的大尺度结构。使用SDSS数据的主要研究课题包括（但不限于）暗物质和暗能量、大尺度结构的形成与演化、星系演化、类星体和活动星系核物理、银河系结构和演化等方面。粗略统计表明，截至2013年，累计已有超过5000篇的学术论文直接提及SDSS，间接使用SDSS的科学研究更是不计其数。

天文学科普和教学中也经常出现SDSS的身影。一些著名的天文类网站和软件应用都使用了SDSS的数据，比如著名的谷歌星空（Google Sky）和万维望远镜（WorldWide Telescope）。SDSS网站上也提供了不少教学工具，可以帮助教师使用SDSS数据来设计天文学课程。近几年兴起的一些互联网公民科学项目更是进一步利用了SDSS资源，把天文学科研和科普结合在了一起，比如研究星系形态的星系动物园（GalaxyZoo）以及研究银河系结构的MilkyWay@home项目。

图11 SDSS图像数据所覆盖的天空区域，上方小图自左向右不断放大，可见SDSS图像的分辨水平。由M. Blanton基于DR9数据制作。

合作团队

斯隆数字化巡天的成功离不开广泛的国际合作。目前，参与SDSS-III的成员单位有来自各个国家的近40所大学、天文台、研究所和研究团体，成员单位之间既有分工，又有合作。整个合作团队内部有着合理的组织架构和成文的规章制度，以保证研究工作能够高效地进行。合作团队会定期召开会议来交流学术成果，审议工作进度，并制定新的计划。

在SDSS之前，如此大型的合作项目在天文学界是非常少见的。SDSS在此开创了先河，竖立了良好的榜样，影响了天文学界的合作研究文化。许多曾参与SDSS的学生和研究人员，如今散布在全球各处，继续在各类合作项目中流传分享着SDSS的合作经验。

SDSS团队中始终不乏中国学生、学者的身影，中国科学院国家天文台的LAMOST项目也曾与SDSS-II有过合作。自2014年起，多家中国的大学和研究机构将参与到SDSSIV，包括中国科学院国家天文台、中国科学院上海天文台、南京大学、清华大学。相信未来的六年里，更多来自中国的研究人员会活跃于SDSS的舞台，和全球各地的天文学家一起，继续绘制宇宙的三维图像。