星系巡天是現代宇宙學研究最重要的觀測方式，天文學家通過對一片天區的星系開展普查式的觀測來測繪對宇宙大尺度結構，并研究其演化。歷史上最成功的巡天項目是斯隆數字巡天（Sloan Digital Sky Survey）。從2000年開始，SDSS利用位于新墨西哥州阿帕奇山頂天文臺的2.5米望遠鏡，已經對整個天區1/3的面積進行了多色成像（u、g、r、i、z），并且獲得了超過300萬個天體的光譜。SDSS的主要科學目標之一是通過觀測宇宙中天體的位置和距離，繪制宇宙大尺度結構的3D圖像，進而追溯宇宙結構演化歷史并尋找暗能量存在的證據。

圖1. SDSS巡天繪制宇宙大尺度結構（圖源：SDSS官網）

SDSS主要利用發光部分的天體及其分布約束宇宙學模型，但這還遠遠不夠。宇宙中更多的是看不見的暗物質。發光物質和暗物質的總質量，可以對宇宙學模型進行更好的限制。而這種總質量，最好的方法是利用一種叫做“弱引力透鏡”的效應得出。不過，精確測量弱引力透鏡的信號對星系的形狀測量具有極高的要求。受限于相對較淺的測光觀測深度（~22等）和并不是特別理想的觀測條件（～1.5” 的seeing），SDSS并不適合弱引力透鏡研究。

KIDS巡天，為弱引力透鏡測量而生

弱引力透鏡是一種在質量作用下的時空彎曲效應。宇宙中的星系和星系團等具有很大的質量，來自其背景的天體的光會受到它們的引力作用而發生偏轉。如果這種偏轉比較大，背景天體就會在前景天體的周圍會形成多像系統，這就是常說的強引力透鏡，而如果這種偏轉比較小，背景天體只會發生非常輕微的形變，這就是弱引力透鏡。弱引力透鏡可以用來探測前景天體的質量和質量分布。這些質量包括了所有的物質，且其中超過90％的是看不見的暗物質和彌散氣體。

圖2. 星系團引力透鏡，既有強透鏡成像，也有弱透鏡信號（圖源：哈勃望遠鏡拍攝）

通過單一星系是無法測量弱引力透鏡信號的，只有統計眾多星系的取向相關性（宇宙剪切），進而量化背景星系的相關程度來獲取弱引力透鏡信號。要利用弱引力透鏡給宇宙稱重，進而約束宇宙學模型，必須滿足三個非常苛刻的條件：

1）足夠多的星系用于統計研究；

2）高質量的成像用于星系形狀的測量；

3）多波段的成像或者光譜數據用于紅移（距離）的測量。

KiDS巡天便是為這一目標定制的。

KiDS全稱平方千度巡天（Kilo Degree survey），它使用歐洲南方天文臺（ESO）的VST巡天望遠鏡，已經完成了對1350平方度的天區4個光學波段的成像。VST的口徑為2.6米，一次曝光可以覆蓋1平方度的天區，具有很高的巡天效率。它被放在位于智利的paranel觀測站，這里具有地表最佳的觀測條件。r波段的平均seeing只有0.68左右，這極大地保證了天體的成像質量。為了獲取更多波段的成像用于精確的測光紅移的測量，ESO還特意為KiDS匹配一個名為VIKING的紅外巡天，對相同天區進行五個波段（Z， Y， J，H，Ks）的紅外觀測。

圖3. 與SDSS相比，KiDS具有更好的成像質量，更深的成像深度，可以提高弱引力透鏡信號的測量精度（圖源：KIDS合作組成員）

KIDS巡天新發現: S₈爭議

KiDs巡天在測繪了宇宙暗物質分布的過程中發現了一個有趣的問題“S₈”爭議。S₈稱作結構生長參數，它表征了宇宙中物質的質量密度以及這些物質的成團程度。宇宙大爆炸之后，隨著時間的流逝，引力使得宇宙中的物質變得越來越不均勻。質量略高于平均值的區域會吸引周圍的物質，使得這些區域的質量比周圍區域的質量更高。同時，宇宙的膨脹也在抵消著這種質量的聚集。這兩個過程都是引力驅動的，對于測試宇宙學標準模型至關重要。

圖4. KIDS巡天中一個10x15億光年的區域的放大圖（圖源：KIDS官網）

基于微波背景，普朗克（Plank）衛星測量的S₈值為0.81，而KiDS合作組利用其第三期數據中約1500萬個星系的測量的結果為0.74，且這兩者的差別也超出了誤差允許范圍。在最初的時候，KiDS合作組對這個結果異常謹慎。他們認為這個差別可能來自于統計波動，或者來自于KiDS和Plank兩個團隊的系統誤差。在KiDS第四期數據中，可用的星系增加到了3100多萬，S₈爭議仍然重現了（S₈=0.75），而即使結合了KiDS與SDSS兩個巡天的數據，該值也只有0.77（+0.006 -0.032），在3個標準差之內仍然無法與普朗克測量結果一致。

一些科學家開始對標準宇宙學模型產生懷疑：它是否能很好地描述這個宇宙，尤其是暗物質和暗能量等成分？如果S₈沖突是真的，我們是否可以通過對當前的宇宙學模型進行微調來解決這個問題？暗物質是否可能具有比完全惰性的“冷暗物質”更復雜一點的性質？如果觀測沖突在未來更高精度的巡天觀測中被確認，可能會帶來令人振奮的物理學進步。

圖5. KIDS結合其它數據得出的S8的結果，仍然與普朗克衛星的結果存在差距（圖源：文章Loureiro et al. 2021）

第四代巡天，能否解決S₈爭議？

KiDS屬于第三代巡天，同屬第三代巡天的還有日本領導的HSC和美國領導的DES。在接下來的幾年，我們將會進入到第四代巡天，其代表項目有美國的地面巡天項目LSST, 歐空局的空間巡天Euclid，以及中國空間站工程巡天空間望遠鏡CSST。其中，CSST預計在2024年前后發射運行，并伴隨中國空間站飛行。CSST計劃拍攝約17500平方度的天區。因為不受大氣層的影響，其成像質量將會比第三代巡天高出很多，這將大大提高弱引力透鏡的測量精度，進而更好地為宇宙稱重，限制宇宙學模型。到時候，相信人們會對S₈爭議有更深的認識，無論這個爭議是否被解決，都將是對弱引力透鏡宇宙學的一個重要貢獻。

圖6. 中國空間站望遠鏡（圖源：網絡）

作者簡介：李瑞，中國科學院大學天文與空間科學學院特別研究助理，KIDS合作組成員，CSST強引力透鏡合作組成員。研究方向包括強引力透鏡、星系演化和機器學習等。

文稿編輯：趙宇豪