給宇宙繪制一幅地圖，這可能嗎？

本文來自微信公眾號：[color=rgb(39, 40, 45) !important]中國國家天文（ID：chineseastronomy），作者：凱倫·馬斯特斯，翻譯：李海寧，編輯：緩緩、懷塵，原文標題：《繪制宇宙地圖》，題圖來自：《蟻人與黃蜂女：量子狂潮》

專業天文學中使用最多的望遠鏡既不是最大的也不是最新的，甚至都不在太空中，而是位于新墨西哥州一座山頭上的一架普通望遠鏡。這架位于阿帕奇天文臺的斯隆基金會2.5米望遠鏡提供的圖像和光譜可謂無處不在，以至于許多天文學家甚至都沒有考慮過這些數據來自哪里。但這臺看似不起眼的望遠鏡和（到目前為止）五期斯隆數字化巡天（Sloan Digital Sky Survey，SDSS）項目已經徹底改變了天文學家的工作方式。

[color=rgb(153, 153, 153) !important]宇宙切片 | 這幅圖中的每個彩色像素都是一個60億光年距離內的星系，由重子振蕩光譜巡天（BOSS）繪制。顏色表示每個星系的距離，從近（黃色）到遠（紫色）。

SDSS背后的最初想法是繪制一幅巨大的宇宙地圖。為了做到這一點，項目團隊合作開發了一臺巨大的數碼相機，它保持了世界上最大相機的記錄長達十多年。在百萬像素的智能手機成為我們的便攜相機之前，這臺1.26億像素的成像儀從1998年第一次拍攝星空到2009年一直在掃描夜空，將新墨西哥州可見天空的三分之一區域的詳細視圖拼接在一起。與此同時，研究人員開發了計算機代碼來處理這些圖像，校準圖像的顏色，通過掃描它們來識別星系和恒星，并挑選一些來測量光譜?？偟膩碚f，SDSS的第一次嘗試編目了超過10億個天體。

[color=rgb(153, 153, 153) !important]傳奇相機 | 這臺相機收集了SDSS第一個十年的所有成像數據。當天空在望遠鏡的視野中以大圓圈移動時，相機讀取CCD，因此物體的圖像以與CCD讀取相同的速度沿著CCD的列移動。

2009年成像相機退役后，SDSS項目重新集中到收集天體光譜上，開展了一系列以首字母縮寫為標題的巡天項目。這些SDSS巡天的每一次觀測都同時測量了數百條光譜。解碼這些彩虹光包含的細節使我們能夠跟蹤星系因宇宙膨脹而遠離我們的速度，測量這些星系中恒星的類型，識別超大質量黑洞的位置和大小，并更多地了解我們自己星系的恒星及其行星。

過去二十多年SDSS完成了一系列不同的巡天項目，現在更是在南半球安裝了第二臺設備，而SDSS也無疑成為世界上最成功和最具影響力的天文項目之一。

天文學成為數據科學

專業天文學家跨越國界開展合作、對夜空開展大規模巡天，這在今天的我們看來似乎再正常不過了。我們習慣于收集和存儲圖像和測量數據，我們希望能夠將這些數據提供給任何擁有計算機的人。但在SDSS取得巨大成功之前，許多天文學家都不相信這種模式是可行的。天文學家習慣于將自己的數據保密——這當然也很合理，因為建造專業望遠鏡并獲得觀測時間既需要投入大量的經費又需要消耗巨大的精力。

事實上，當團隊成員在20世紀90年代初首次討論獲取數十萬個天體光譜的計劃時，其他天文學家都認為他們是在開玩笑。有遠見的人意識到，未來的科研成就需要通過天文學家互相合作而不是各自孤立來實現，通過合作收集和處理來自望遠鏡的數據，以及（關鍵的是）通過發布這些數據給整個天文界使用，天文學家可以繪制更廣闊的宇宙地圖，而不是以個人的身份開展工作。

要使“開放和可訪問的數據”成為現實需要付出巨大的努力。參與該項目的科學家承諾定期發布數據，通常是在望遠鏡獲得觀測數據后一年左右。這個時間段可以讓團隊有時間進行必要的處理，檢查和重復檢查錯誤，編寫支持文檔，并在向其他天文學家發布數據之前通過早期訪問權限獲益。

[color=rgb(153, 153, 153) !important]望遠鏡 | 落日余暉灑在新墨西哥州阿帕奇天文臺的SDSS 2.5米望遠鏡上。

繪制宇宙地圖

SDSS給我們留下最深刻的印象可能是它獲取的遙遠宇宙影像。如果你去過天文館，你很可能曾與其中之一擦肩而過。這些視頻看起來就像電影中想象的場景：跳躍到多維空間，飛躍無盡的星系。最終，這些影像縮小進而展示了SDSS所掃描的一切：一幅宇宙的蝴蝶形切片。

在SDSS的前四期，測量宇宙學紅移是主要目標。天文學家首先計算出，由于宇宙的膨脹，遙遠的星系以怎樣的速度遠離我們；這種退行速度與星系到我們之間的距離成正比。進而我們可以借助這些距離來繪制三維星系分布圖像。

第一批大尺度結構圖展示了星系勾勒出的近鄰宇宙中的氣泡和纖維結構。其他規模較小的巡天已經發現了宇宙網存在的證據，但SDSS實現了尺度上的巨大飛躍，使得我們對宇宙網的存在不再有任何懷疑。SDSS的后期可觀測到紅移為1.1的星系（相當于沿演化時間回溯了82億年），這使第一次觀測結果相形見絀。對于由超大質量黑洞（即類星體）提供能量的發出強烈信號的星系，甚至可以觀測到更遠處——紅移達到3.5（119億年前）。

[color=rgb(153, 153, 153) !important]一顆一顆星 | APOGEE的巡天目標是單顆恒星，通過光譜來確定每顆恒星的化學成分。藍色標記的恒星中較重的元素較少，可能年齡更大；紅色標記的恒星含有更重的元素，可能更年輕。數據被疊加在藝術家繪制的銀河系示意圖上。

從這些結構圖中我們了解到，隨著宇宙的演化，它會變得越來越團塊化：隨著時間的推移，引力將物質拉入一個巨大的網絡。宇宙網中的模式細節能夠告訴天文學家宇宙包含的物質內容和膨脹歷史。我們甚至在這些模式中發現了可靠（盡管非常大?。┑臉顺?。來自遠古宇宙的聲波印記會表現為在任意兩對星系之間存在略微更合適的距離。SDSS的科學家在2005年第一次測量了重子聲學振蕩（baryonic acousticoscillation，BAO）的尺度。這項BOSS巡天項目后來擴展為eBOSS，通過獲得數百萬個星系和類星體的紅移進一步完善了此前的這項工作。

BAO的尺度使天文學家能夠對宇宙在大范圍演化時間內的膨脹速率進行最精確的測量。關于宇宙當前膨脹率有兩個存在激烈爭議的數值，而測量結果傾向于數值較低的那個。SDSS BAO的觀測數據還沒有解決神秘暗能量加速膨脹的難題，但引領我們向著答案邁出了重要一步。

星系太多，時間太少

在創建宇宙地圖的過程中，SDSS的觀測為天文學家提供了近100萬個星系的物理信息。除了測量它們的距離外，我們可以通過探測組成星系的恒星的運動來為星系“稱重”，還可以測量它們正在形成多少顆小恒星?；瘜W元素在細致的光譜中留下指紋特征，告訴我們恒星的類型和年齡，以及過去的恒星如何利用重元素增豐氣體的歷史。所有這些能夠共同幫助我們重建每個星系的生命故事。

雖然我們只能看到單個星系生命的瞬間快照，但從數十萬甚至數百萬個星系的數據中，我們可以拼合出它們是如何隨時間演化的。而在SDSS之前，這是不可能的：之前的星系的“大樣本”數量最多只有幾千個。

更大樣本的進步意味著天文學家必須成為數據科學家：他們開始尋找大尺度的相關性，而不是研究少數幾個星系。例如，SDSS的數據顯示，較大的星系往往更紅。它們的紅潤色調表明它們已經過了恒星形成的高峰期，因為所有年輕的、大質量的藍色恒星都已經死亡。這些更大、更紅的星系更有可能呈橢圓形（而不是螺旋狀），由于過去的恒星誕生和消亡，它們含有更豐富的重元素。這樣的星系也傾向于與它們的鄰居靠得更近。

這些研究展示了星系之間的聯系，許多星系的性質取決于它們在宇宙網中的位置。天文學家們在早些時候已經看到了很多這樣的趨勢，但SDSS的數據清晰而精確地證實了這種關系，這徹底改變了河外天文學。

第一階段的巨大成功保證了星系科學將繼續成為SDSS的一大科學主題。最初的主星系巡天只測量了每個星系的一條光譜，但在SDSS第四期中，阿帕奇天文臺繪制近鄰星系地圖（Mapping Nearby Galaxies，MANGA）項目使用了一種稱為集成視場光譜的技術，測量了共計10,000個星系的每個星系的數十到數百條光譜。這些光譜使MANGA能夠繪制出星系不同部分的恒星形成，揭示出美妙的復雜性。像條形和螺旋形這樣的內部結構混合在一起，改變了恒星和氣體的運動方式。我們看到星系不再由內而外形成恒星，我們開始把內部過程與星系環境結合起來，并探討它們如何影響其演化。

[color=rgb(153, 153, 153) !important]星流之地 | 在這張包含自2011年以來SDSS數據的全天圖像中，亮度表示某類恒星的密度。顏色表示距離，藍色表示距離5萬光年以內的恒星，綠色表示距離6萬光年以內的恒星，紅色表示距離8.8萬光年以內的恒星。圖中清晰可見的幾條星流曾經是矮星系或球狀星團，但被銀河系的引力瓦解了。

作者簡介：凱倫·馬斯特斯（Karen Masters），哈弗福德學院（費城附近）天文學家，但最初來自英國。她從研究生時期就開始研究SDSS數據，并擔任SDSS IV的發言人，以及星系動物園的首席負責人。

譯者簡介：李海寧，中國科學院國家天文臺副研究員，主要從事銀河系考古研究。曾翻譯包括《天文學百科》在內的多部科普書籍。

本文來自微信公眾號：[color=rgb(39, 40, 45) !important]中國國家天文（ID：chineseastronomy），作者：凱倫·馬斯特斯，翻譯：李海寧，編輯：緩緩、懷塵

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