圖片來(lái)源：Freepik

導(dǎo)讀：

十多年來(lái)，天文學(xué)家們從測(cè)光巡天數(shù)據(jù)中發(fā)現(xiàn)，宇宙的密度分布比另一測(cè)量方法微波背景輻射（CMB）結(jié)果預(yù)期的更加均勻，這就是所謂的“S8”沖突。一直以來(lái)這一沖突都沒(méi)有滿意的解釋。它成為了目前第三代巡天中的一個(gè)謎題，影響了我們對(duì)暗物質(zhì)和暗能量的理解。

就在3月底，第三代大尺度巡天項(xiàng)目“千平方度巡天”（Kilo-Degree Survey, KiDS）發(fā)布的最新觀測(cè)結(jié)果和CMB結(jié)果一致，證實(shí)了宇宙標(biāo)準(zhǔn)模型的有效性。困擾了宇宙學(xué)家們近10年的“S8沖突”消失了，宇宙學(xué)達(dá)成了和諧。

SAIXIANSHENG

一、揭秘宇宙的黑暗一面

——星系巡天和弱引力透鏡

過(guò)去幾十年的觀測(cè)數(shù)據(jù)顯示，大家熟知的各種原子、分子等“普通物質(zhì)”只占了宇宙組分的不到5%，剩余部分由神秘的暗物質(zhì)和暗能量組成。它們幾乎主宰了宇宙整體的演化：暗能量驅(qū)使宇宙加速膨脹，暗物質(zhì)的引力把星系聚合成大尺度結(jié)構(gòu)。

暗物質(zhì)和暗能量的本質(zhì)是什么？在空間中如何分布？在時(shí)間長(zhǎng)河中如何演化？它們和其它天體如何相互作用？

為了弄清楚這些問(wèn)題，探索其中可能蘊(yùn)含新的物理規(guī)律，天文學(xué)家們利用高分辨率巡天望遠(yuǎn)鏡拍攝深空照片，描繪出宇宙大尺度結(jié)構(gòu)的圖像，從中尋覓暗物質(zhì)和暗能量的蛛絲馬跡。這就是“星系巡天”。

根據(jù)觀測(cè)手段，星系巡天分為測(cè)光巡天和光譜巡天。測(cè)光巡天可提供多波段星系圖像，而光譜巡天提供完整的光譜數(shù)據(jù)。二者各有優(yōu)劣：測(cè)光巡天可以覆蓋大范圍天區(qū)，而且觀測(cè)效率較高，可提供大量星系樣本，但不能測(cè)量單個(gè)星系的距離；光譜巡天可精確測(cè)量單個(gè)星系的距離，化學(xué)成分等，但效率較低。在當(dāng)代宇宙學(xué)中，二者經(jīng)常相輔相成。

圖1，暗能量光譜儀巡天DESI在2024年發(fā)布的大尺度結(jié)構(gòu)圖像。其中每一個(gè)微小的藍(lán)綠色亮點(diǎn)代表一個(gè)星系，它們?cè)谝Φ淖饔孟戮酆铣尚窍祱F(tuán)和纖維狀結(jié)構(gòu)。圖源：Claire Lamman/DESI collaboration; custom colormap package by cmastro

暗物質(zhì)會(huì)悄然影響巡天圖像中的星系形狀。當(dāng)遠(yuǎn)處星系發(fā)來(lái)的光經(jīng)過(guò)近處大尺度結(jié)構(gòu)時(shí)，受其引力影響發(fā)生折彎，這一現(xiàn)象被稱(chēng)為“弱引力透鏡”。在弱引力透鏡的影響下，星系圖像發(fā)生扭曲，呈現(xiàn)“宇宙學(xué)切變（cosmic shear）”，它可以告訴我們暗物質(zhì)在宇宙中的含量和分布，因此很受宇宙學(xué)家們的青睞。

圖2，弱引力透鏡效應(yīng)的示意圖，左上角的背景星系發(fā)來(lái)的光在大尺度結(jié)構(gòu)的引力透鏡作用下形成了扭曲的圖像。圖源：https://www.jessiemuir.com/2020-06-14-weaklensing/

然而，單個(gè)星系的宇宙學(xué)切變微弱，難以直接辨別，但我們可以對(duì)大量星系的樣本做統(tǒng)計(jì)分析找到它的蹤跡。大視場(chǎng)測(cè)光巡天為此提供了關(guān)鍵數(shù)據(jù)，這類(lèi)巡天對(duì)宇宙深處的星系進(jìn)行高分辨率攝像，從中準(zhǔn)確地測(cè)量出星系的形狀。如果沒(méi)有引力效應(yīng)，星系的指向應(yīng)該是隨機(jī)的，而宇宙學(xué)切變使得不同星系的指向之間出現(xiàn)相關(guān)性。這一相關(guān)性信號(hào)非常微弱，直到2000年，人們才積累了足夠的大星系樣本測(cè)量到了它。從那以后，越來(lái)越多的測(cè)光巡天項(xiàng)目展開(kāi)，加入到弱引力透鏡宇宙學(xué)的研究中來(lái)。

圖3,由詹姆斯-韋伯望遠(yuǎn)鏡拍攝的星系圖像。圖中那些扭曲的橙紅色星系圖像就是它們被近處暗物質(zhì)引力扭曲的結(jié)果。這張圖顯示的是強(qiáng)引力透鏡，事實(shí)上弱引力透鏡不會(huì)產(chǎn)生如此明顯的扭曲效果，只能通過(guò)對(duì)大量星系的統(tǒng)計(jì)分析來(lái)找到它的蛛絲馬跡。圖源：NASA; ESA; CSA; STScI

宇宙學(xué)切變的分析是十分復(fù)雜的工作，許多因素都會(huì)導(dǎo)致宇宙學(xué)結(jié)果出現(xiàn)顯著差異。大氣的抖動(dòng)，同一條視線上多個(gè)星系混合成像都會(huì)影響星系形狀的測(cè)量。除了引力透鏡效應(yīng)外 ，星系附近引力場(chǎng)的潮汐作用也會(huì)改變星系的指向（這一效應(yīng)稱(chēng)為內(nèi)稟指向）；而小尺度下（宇宙學(xué)家口中的小尺度也有百萬(wàn)光年的量級(jí)，相當(dāng)于星系團(tuán)的尺度）的非線性結(jié)構(gòu)演化，以及復(fù)雜的重子物理過(guò)程都會(huì)影響密度漲落的模型。另一個(gè)至關(guān)重要的影響因子是星系的紅移。由于測(cè)光巡天無(wú)法測(cè)量每個(gè)星系的光譜，得不到準(zhǔn)確的星系紅移值，我們需要仔細(xì)校準(zhǔn)星系樣本的紅移分布。為了得到準(zhǔn)確的宇宙學(xué)結(jié)果，我們必須盡可能降低這些誤差。

不同的巡天項(xiàng)目在擴(kuò)大星系樣本容量和消除系統(tǒng)誤差上精益求精，已經(jīng)大有收獲。如今正在活躍的測(cè)光巡天項(xiàng)目，包括由歐洲科學(xué)家領(lǐng)導(dǎo)的千平方度巡天（Kilo Degree Survey, KiDS），美國(guó)科學(xué)家領(lǐng)導(dǎo)的暗能量巡天(Dark Energy Survey, DES)，和日本科學(xué)家領(lǐng)導(dǎo)的昴星團(tuán)望遠(yuǎn)鏡主焦點(diǎn)相機(jī)巡天（Hyper Suprime-Cam Subaru Strategic Program, HSC）。在過(guò)去的十年間，它們各自獨(dú)立地測(cè)量了大量星系的形狀和位置，并從中測(cè)量出了顯著的宇宙學(xué)切變信號(hào)。這些測(cè)光巡天項(xiàng)目和光譜巡天（如SDSS，DESI）、CMB觀測(cè)（如Planck，ACT，SPT）等實(shí)驗(yàn)結(jié)合起來(lái)，不斷推進(jìn)我們對(duì)宇宙學(xué)參數(shù)、大尺度結(jié)構(gòu)的演化、星系尺度的重子物理過(guò)程等等方面的認(rèn)識(shí)。

2006年的一篇暗能量宇宙學(xué)的白皮書(shū)[1]，把一系列正在進(jìn)行和計(jì)劃中的巡天項(xiàng)目按照技術(shù)指標(biāo)和數(shù)據(jù)質(zhì)量分成四個(gè)階段。彼時(shí)我們尚處于第二代巡天的時(shí)代，而近十年后的今天已經(jīng)是第三代（包括上述的KiDS，DES，HSC巡天）和第四代之間承上啟下的關(guān)鍵時(shí)期。

圖4，第二代（CFHTLenS，DLS），第三代（KiDS，DES，HSC，UNIONS）和第四代（CSST，LSST，Euclid，Roman）巡天的數(shù)據(jù)質(zhì)量對(duì)比。橫軸代表星系數(shù)密度，縱軸代表巡天面積，這兩者影響星系樣本的隨機(jī)誤差；彩虹條代表測(cè)光的波段范圍，越廣的波段可以得到越精確的紅移估計(jì)；藍(lán)色圓點(diǎn)代表視寧度，越小代表成像越清晰。圖源：KiDS第五次數(shù)據(jù)發(fā)布論文[2]

SAIXIANSHENG

二、兩類(lèi)觀測(cè)實(shí)驗(yàn)的爭(zhēng)鳴：
S8“沖突”

宇宙學(xué)切變信號(hào)蘊(yùn)含多種信息，其中漲落幅度用S8參數(shù)描述：S8越大，暗物質(zhì)和星系越傾向于緊緊聚合在一起；反之，星系分布越均勻。隨著星系樣本的增大，我們觀測(cè)到的宇宙學(xué)切變?cè)絹?lái)越顯著，對(duì)S8的限制也越來(lái)越精確。第三代巡天已經(jīng)可以把S8的不確定度縮小到4%以下。

除了弱引力透鏡外，我們還可以用宇宙微波背景輻射（Cosmic Microwave Background, CMB）中蘊(yùn)含的高紅移早期宇宙信息，結(jié)合標(biāo)準(zhǔn)宇宙演化模型推測(cè)S8。兩種技術(shù)互相獨(dú)立，各有利弊：CMB觀測(cè)更加成熟，但結(jié)論更依賴(lài)于宇宙學(xué)模型，而弱引力透鏡的系統(tǒng)誤差較為復(fù)雜。

2013年，第二代巡天CFHTLenS就發(fā)現(xiàn)宇宙學(xué)切變得到的S8比Planck衛(wèi)星從CMB中推測(cè)的的結(jié)果偏小，而截至去年，三大第三代巡天——DES，KiDS，HSC——已經(jīng)發(fā)布了多次宇宙學(xué)結(jié)果，和Planck衛(wèi)星從CMB得到的結(jié)果皆存在不同程度的差異。其中2021年KiDS團(tuán)隊(duì)基于第四次數(shù)據(jù)發(fā)布(DR4)得到的KiDS-1000宇宙學(xué)結(jié)果[3]顯示，S8比Planck的結(jié)果低了約9%，差異的顯著性達(dá)到了約三倍標(biāo)準(zhǔn)差，換句話說(shuō)，這一差別是統(tǒng)計(jì)性起伏的可能性不足千分之一。

也就是說(shuō)，從巡天項(xiàng)目中得到的數(shù)據(jù)顯示，宇宙比標(biāo)準(zhǔn)模型預(yù)期的更均勻。但，這一結(jié)論成立嗎？標(biāo)準(zhǔn)模型錯(cuò)了嗎？

圖5，KiDS，DES和HSC上一次發(fā)表的S8和物質(zhì)密度參數(shù)Omega_m的限制結(jié)果。每個(gè)實(shí)驗(yàn)的兩個(gè)等高線圈分別代表68%（內(nèi)）和95%（外）的置信區(qū)間?？梢钥闯鋈齻€(gè)弱引力透鏡實(shí)驗(yàn)得到的S8比Planck-2018的結(jié)果更低，圖片來(lái)源：HSC第三年宇宙學(xué)結(jié)果論文[4]

科學(xué)家們分析，這一“沖突”的來(lái)源有兩類(lèi)可能：要么是CMB所依賴(lài)的標(biāo)準(zhǔn)宇宙學(xué)模型有誤，導(dǎo)致推出了偏高的S8；要么是弱引力透鏡實(shí)驗(yàn)中系統(tǒng)誤差沒(méi)有處理干凈，導(dǎo)致了偏低的S8。

自從S8沖突出現(xiàn)以來(lái)，科學(xué)家們不斷探索實(shí)驗(yàn)和理論中殘存的誤差對(duì)S8的影響。一直沒(méi)有得到滿意的答案。但總之，S8沖突的出現(xiàn)說(shuō)明我們對(duì)數(shù)據(jù)或者模型中還存在未知因素。

SAIXIANSHENG

三、和諧的終曲？
KiDS-Legacy的答卷

由歐洲南方天文臺(tái)（ESO）的甚大巡天望遠(yuǎn)鏡（VLT Survey Telescope, VST）主導(dǎo)的KiDS是第三代巡天中的一員，雖然視場(chǎng)大小不及DES，巡天深度（即每平方度的星系數(shù)量）不及HSC，但搭配了VIKING巡天的紅外波段測(cè)量后，KiDS的星系樣本有9個(gè)波段的星等數(shù)據(jù)，因此在紅移的精確度上有得天獨(dú)厚的優(yōu)勢(shì)。KiDS項(xiàng)目已經(jīng)運(yùn)行了14年，發(fā)表了多次弱引力透鏡宇宙學(xué)結(jié)果。

2024年6月，KiDS團(tuán)隊(duì)發(fā)表了第五次數(shù)據(jù)發(fā)布(DR5)的論文。這次數(shù)據(jù)發(fā)布涵蓋約1350平方度的天區(qū)，比DR4增加了約350平方度。KiDS團(tuán)隊(duì)從中篩選出四千多萬(wàn)個(gè)星系編成最終的“檔案”星系目錄(Legacy catalog)。得益于更大的光譜數(shù)據(jù)（光譜樣本5倍于KiDS-1000），KiDS-Legacy可以包含更遠(yuǎn)距離內(nèi)的星系，最大星系距離從KiDS-1000的85億光年增加到105億光年。KiDS團(tuán)隊(duì)把這些星系按照紅移間隔被分成6個(gè)層析樣本（比KiDS-1000增加了一個(gè)），測(cè)量了其中的宇宙學(xué)切變的信號(hào)，對(duì)100億年前至今的大尺度結(jié)構(gòu)的演化做了切片式分析。

圖6，KiDS-Legacy繪制的暗物質(zhì)天圖。圖中顯示了月亮和KiDS-Legacy視場(chǎng)大小的比較。圖片來(lái)源：R. Reischke, K.Kuijken, B.Giblin and the KiDS team

2025年3月26日，根據(jù)上述宇宙學(xué)分析，KiDS發(fā)布了其最終宇宙學(xué)結(jié)果，KiDS團(tuán)隊(duì)稱(chēng)之為KiDS-Legacy宇宙學(xué)[5]。由于觀測(cè)面積和星系數(shù)目的增大，KiDS-Legacy對(duì)S8的限制精度提高了15%左右，不確定度降低到2.5%以下。這次的宇宙學(xué)結(jié)果出乎意料：從KiDS-Legacy得到的S8和Planck的差異縮小到了0.73 倍標(biāo)準(zhǔn)差，這意味著在統(tǒng)計(jì)學(xué)范圍內(nèi)和Planck一致。這是過(guò)去的弱引力透鏡項(xiàng)目中人們測(cè)量到的最大S8數(shù)值，而且比前一次KiDS宇宙學(xué)結(jié)果增大了約兩倍標(biāo)準(zhǔn)差。因此我們可以說(shuō)，宇宙大尺度結(jié)構(gòu)的漲落依舊遵循標(biāo)準(zhǔn)模型。

（圖7，KiDS-Legacy得到的宇宙學(xué)參數(shù)測(cè)量結(jié)果（顯示為綠色）顯示S8和Planck的結(jié)果（顯示為紅色）一致。左：S8和物質(zhì)密度參數(shù)Omega_m的聯(lián)合后驗(yàn)分布；右：S8的限制結(jié)果。圖片來(lái)源：KiDS-Legacy宇宙學(xué)論文[5]）

那么，是什么導(dǎo)致S8的結(jié)果出現(xiàn)了如此顯著的改變？KiDS-Legacy團(tuán)隊(duì)花費(fèi)了大量時(shí)間和精力去改進(jìn)分析流程，扣除系統(tǒng)誤差，并利用新的數(shù)值模擬來(lái)驗(yàn)證其方法，對(duì)其數(shù)據(jù)一致性也做了全面的檢驗(yàn)[6]，力求確保其宇宙學(xué)結(jié)果的準(zhǔn)確性和穩(wěn)健性。KiDS團(tuán)隊(duì)仔細(xì)分析了這些改進(jìn)對(duì)宇宙學(xué)結(jié)果產(chǎn)生的影響。其中，對(duì)S8結(jié)果改變最主要的原因是KiDS-Legacy在紅移校準(zhǔn)方面的改進(jìn)。

為了校準(zhǔn)星系紅移，KiDS團(tuán)隊(duì)先挑出被光譜巡天測(cè)量過(guò)的星系作為參考樣本，在機(jī)器學(xué)習(xí)的輔助下獲得星系各波段亮度和紅移之間的關(guān)系，從而得到紅移分布。KiDS-Legacy改進(jìn)了KiDS-1000使用的紅移校準(zhǔn)方法[7]，通過(guò)增加機(jī)器學(xué)習(xí)的訓(xùn)練次數(shù)以避免訓(xùn)練過(guò)程中出現(xiàn)的隨機(jī)誤差。此外，更大的光譜樣本也了提高紅移校準(zhǔn)準(zhǔn)確性。當(dāng)KiDS團(tuán)隊(duì)把Legacy的紅移校準(zhǔn)方法和光譜樣本應(yīng)用到KiDS-1000上時(shí)，KiDS-1000和Planck的S8沖突得到了極大的緩解。

就這樣，在第三代巡天的尾聲，KiDS-Legacy調(diào)和了高紅移的CMB和低紅移的弱引力透鏡的S8沖突，為宇宙學(xué)描繪了一幅和諧的圖景。

SAIXIANSHENG

四、宇宙學(xué)的下一個(gè)盛宴：
第四代宇宙學(xué)巡天

KiDS-Legacy的發(fā)表給出了亮眼的答案，但這并不是終點(diǎn)。DES和HSC的最終數(shù)據(jù)分析還在如火如荼地進(jìn)行中，第三代巡天即將交出最終答卷。與此同時(shí)，第四代巡天也已經(jīng)拉開(kāi)序幕：Euclid空間望遠(yuǎn)鏡已經(jīng)公開(kāi)了首批數(shù)據(jù)（Q1）；薇拉·魯賓天文臺(tái)的時(shí)空檔案巡天（Legacy Survey of Space and Time, LSST）將在2025年7月正式開(kāi)始觀測(cè)；我國(guó)的“巡天”空間望遠(yuǎn)鏡也計(jì)劃近年發(fā)射，加入其中。

（圖8，位于智利的薇拉-魯賓天文臺(tái)，它將承擔(dān)“時(shí)空檔案巡天（LSST）”任務(wù)）

巡天技術(shù)的進(jìn)步離不開(kāi)精密光學(xué)儀器，航空航天，大數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和計(jì)算等科學(xué)技術(shù)的發(fā)展。和第三代相比，第四代巡天的視場(chǎng)會(huì)增大近十倍，覆蓋超過(guò)一半的天空；深度也會(huì)增大好幾倍。龐大的樣本會(huì)給它們的數(shù)據(jù)精確度（presicion）帶來(lái)質(zhì)的飛躍，同時(shí)，信號(hào)和模型中殘留的系統(tǒng)誤差會(huì)變得更加顯著。這就像打靶時(shí)手更穩(wěn)了（精確度更高），但瞄準(zhǔn)鏡還是歪的（有殘留的系統(tǒng)誤差），那么子彈都會(huì)打到偏離靶心的同一位置，這樣的話精確度越高，準(zhǔn)確度（accuracy）反而越低。因此，下一代巡天對(duì)各個(gè)環(huán)節(jié)的系統(tǒng)誤差糾正提出了更高的要求。

過(guò)去的二十年間，各大測(cè)光巡天項(xiàng)目在觀測(cè)策略，數(shù)據(jù)處理方法，星系形狀測(cè)定，紅移校準(zhǔn)，數(shù)值模擬，系統(tǒng)誤差控制等方面積累的經(jīng)驗(yàn)，為第四代巡天繪制了寶貴的藍(lán)圖。此外，第四代巡天多為大型項(xiàng)目（例如LSST的暗能量科學(xué)合作組織DESC已經(jīng)有1000多名來(lái)自世界各地的成員），如何創(chuàng)造和諧而高效的合作與交流環(huán)境也成為了天文學(xué)家們面對(duì)的新課題。

S8沖突的出現(xiàn)，研究和解決，是人類(lèi)在探索暗物質(zhì)和暗能量過(guò)程中的一個(gè)重要插曲，也是人們孜孜不倦地追求科學(xué)的精確和準(zhǔn)確性的一個(gè)縮影?？梢云诖?，即使S8沖突塵埃落定，未來(lái)的觀測(cè)數(shù)據(jù)仍會(huì)帶來(lái)新的發(fā)現(xiàn)和疑難。在這樣的期待的驅(qū)使下，相信將來(lái)我們會(huì)真正揭曉暗物質(zhì)和暗能量的謎底，把人類(lèi)對(duì)宇宙的認(rèn)知帶入一個(gè)新的時(shí)代。

參考來(lái)源：（上下滑動(dòng)可瀏覽）

1.給星系巡天劃分階段的白皮書(shū)：Albrecht A., Bernstein G., Cahn R., Freedman W.~L., Hewitt J., Hu W., Huth J., et al., 2006, arXiv, astro-ph/0609591. doi:10.48550/arXiv.astro-ph/0609591

2.KiDS-DR5數(shù)據(jù)發(fā)布論文：Wright A.H., Kuijken K., Hildebrandt H., Radovich M., Bilicki M., Dvornik A., Getman F., et al., 2024, A&A, 686, A170. doi:10.1051/0004-6361/202346730

3.KiDS-1000宇宙學(xué)切變論文：Asgari M., Lin C.-A., Joachimi B., Giblin B., Heymans C., Hildebrandt H., Kannawadi A., et al., 2021, A&A, 645, A104. doi:10.1051/0004-6361/202039070

4.HSC-Y3宇宙學(xué)切變論文：Li X., Zhang T., Sugiyama S., Dalal R., Terasawa R., Rau M. M., Mandelbaum R., et al., 2023, PhRvD, 108, 123518. doi:10.1103/PhysRevD.108.123518

5.KiDS-Legacy弱引力透鏡宇宙學(xué)論文：Wright A.H., et al., 2025, doi:10.48550/arXiv.2503.19441

6.KiDS-Legacy紅移校準(zhǔn)論文：Wright A.H., et al., 2025, doi:10.48550/arXiv.2503.19440

7.KiDS-Legacy一致性檢驗(yàn)論文：St?lzner B., et al., 2025,doi:10.48550/arXiv.2503.19442

作者簡(jiǎn)介：

顏?zhàn)影海涣蓄嵏鐐惐葋喆髮W(xué)物理與天文系博士，現(xiàn)波鴻魯爾大學(xué)的德國(guó)宇宙學(xué)透鏡研究中心博士后研究員，KiDS和LSST-DESC的成員。主要從事弱引力透鏡和大尺度結(jié)構(gòu)的研究。

來(lái)源：賽先生

編輯：4925

轉(zhuǎn)載內(nèi)容僅代表作者觀點(diǎn)

不代表中科院物理所立場(chǎng)

如需轉(zhuǎn)載請(qǐng)聯(lián)系原公眾號(hào)