□ 茅傾青

斯隆數(shù)字化巡天：繪制宇宙的三維圖像

□ 茅傾青

作者茅傾青曾就讀于復旦大學物理系，現(xiàn)為范德堡大學（Vanderbilt University）的博士研究生，師從于Andreas Berlind教授，長期使用SDSS數(shù)據(jù)，主要研究方向為宇宙的大尺度結(jié)構(gòu)和宇宙學。

圖1 日落時分的SDSS望遠鏡（拍攝：David Kirkby）。

在美國新墨西哥州，靠近著名的白沙國家公園，有一座山頂上坐落著一臺很特別的天文望遠鏡。它十幾年如一日地掃視著夜空，長期進行著一項特殊的天文觀測任務。這個項目稱為斯隆數(shù)字化巡天（Sloan Digital Sky Survey，簡稱SDSS），其主要目標是為我們的宇宙繪制一張三維的圖像！

不同于針對特定天體進行觀測，天文巡天是對大范圍的海量目標進行統(tǒng)一的觀測。巡天的概念其實由來已久。早在數(shù)字CCD出現(xiàn)以前，天文學家就曾試著使用照相底板對大片天區(qū)進行逐塊地拍照。而今我們已進入了全數(shù)字化巡天的時代。巡天一方面可以幫助天文學家建立全面的天體目錄。而更重要的是，巡天能給我們帶來大量統(tǒng)一的數(shù)據(jù)，使得天文學家可以從統(tǒng)計的角度來研究我們的宇宙。

天文學家們并不滿足于獲得天體的二維圖像，還想知道天體的更多信息。比如，想要完整地了解宇宙的大尺度結(jié)構(gòu)，我們必須知道星系在三維空間中的分布。這時不僅需要知道星系在天球上的位置，還需要知道星系的距離。哈勃定律告訴我們，遙遠星系的紅移與它們的距離成正比。為了推算星系的距離，我們需要采集每個星系的光譜來精確測量其紅移，于是就有了光譜紅移巡天的概念。

除了紅移，不同天體的光譜還可以告訴我們很多關于天體的故事。比如，恒星光譜可以幫助我們了解其化學組成等參數(shù)；星系光譜能告訴我們星系的動力學特性；類星體光譜可以用于研究其中的黑洞的物理性質(zhì)，甚至能用于探測類星體和我們之間的星系間氣體的分布。光譜為我們打開了一扇全新的大門，一個大規(guī)模高質(zhì)量的光譜巡天能大大推動天文學和天體物理學各個領域的研究，而SDSS就是迄今規(guī)模最大的光譜巡天項目之一。

圖2 SDSS拍攝的M51渦狀星系

SDSS小歷史

早在上世紀80年代中期，隨著CCD技術的迅猛發(fā)展以及計算機控制和數(shù)據(jù)處理能力的大幅躍進，天文學家們便開始設想大規(guī)模的數(shù)字化光譜巡天項目。斯隆數(shù)字化巡天的計劃由此誕生。經(jīng)過了多年的籌劃和施工，SDSS望遠鏡于1998年5月9日進行了首次觀測，正式的日常巡天觀測開始于2000年。

從2000年到2005年是SDSS的第一階段（SDSS-I），在此期間SDSS對超過8000平方度的天區(qū)進行了五個波段的掃描拍照，并在其中的5700平方度天區(qū)里的選取了部分星系和類星體，采集了它們的光譜。SDSS的第二期（SDSS-II）始于2005年，除了繼續(xù)進行星系光譜巡天，SDSS也開始了一項針對銀河系內(nèi)恒星的巡天，以及一項超新星巡天。到2008年中期，SDSS-III正式開始。第三期增加了專門針對銀河系銀盤和核球部分的紅外光譜巡天，以及一個搜尋太陽系外行星的視向速度巡天。星系和類星體光譜巡天也被推向了更高的紅移。

SDSS-III將于2014年中旬完成，第四期SDSS-IV將緊隨其后。除了延續(xù)并擴展先前針對大尺度結(jié)構(gòu)和銀河系演化的巡天項目之外，SDSS-IV還將增加多個全新的任務，包括使用積分視場單元來研究星系動力學和星系演化，針對變星和類星體的時間域光譜巡天（詳見下文），以及一個與X射線望遠鏡eROSITA合作的項目等。在接下來的六年中，SDSS將延續(xù)其輝煌，繼續(xù)幫助我們加深對宇宙的理解。

儀器設備SDSS望遠鏡

SDSS專用于巡天的望遠鏡位于美國新墨西哥州的東南部，薩克拉門托山脈上的阿帕奇波因特天文臺(Apache Point Observatory，簡稱APO，北緯32°46′49.30″，西經(jīng)105° 49′13.50″，海拔2788米)。APO遠離城市，大氣視寧度極佳，非常適合天文觀測。

SDSS望遠鏡是專為巡天而設計的。出于多方面的考慮，SDSS望遠鏡有不少區(qū)別于傳統(tǒng)望遠鏡的地方。首先，SDSS望遠鏡并沒有建造圓頂建筑，而是只有一個可以移動的小頂棚。在觀測時，頂棚會完全移開，望遠鏡會裸露在外面。為了防風和避免其他光源的干擾，望遠鏡上安裝了一個長方體的保護罩。這樣的設計有多個好處：降低了建造成本；降低了建筑和周邊空氣間的熱效應對視寧度的影響，提高了成像質(zhì)量；最大化地降低了建筑可能對望遠鏡的遮擋等。

望遠鏡光學系統(tǒng)的設計采用了大型望遠鏡常用的RC系統(tǒng)，主鏡直徑2.5米，副鏡直徑1.08米，整體焦比f/5。SDSS望遠鏡的特色之一是擁有一個直徑3°的幾乎沒有畸變的大視場，這相當于6個滿月的直徑！作為用于巡天的望遠鏡，擁有一個高質(zhì)量的超大視場是非常重要的，這讓我們可以一次觀測更大面積的天區(qū)，使得巡天更為高效。

除了主望遠鏡，SDSS還有一臺0.5米口徑的測光望遠鏡，用于在巡天過程中監(jiān)測大氣溫度和壓力的微弱變化，以助于校準SDSS的巡天數(shù)據(jù)。測光望遠鏡位于主望遠鏡建筑一旁的小圓頂房內(nèi)。

SDSS相機

圖3 APO天文臺全景。最左側(cè)的是打開的2.5米口徑SDSS望遠鏡。望遠鏡關閉時，頂棚可以向左滑動來遮蓋住望遠鏡。頂棚旁邊的是0.5米測光望遠鏡。右后方為ARC3.5米望遠鏡。照片為面向北方拍攝。

圖4 由北側(cè)拍攝的APO全景。后方是2.5米SDSS望遠鏡，可移動頂棚，以及0.5米測光望遠鏡。中間為NMSU1.0米望遠鏡。前方為ARC3.5米望遠鏡。

SDSS的成像相機是一件杰作。相機包含了30塊2048×2048像素的CCD，總像素超過1.25億，這在當年是非常驚人的規(guī)模。30塊CCD排列成5×6的陣列，每列對應了u、g、r、i、z五個波段的濾光片。除此之外，兩側(cè)還有24塊2048×400像素的小CCD，用于校準、測光、對焦等輔助功能。

進行圖像巡天時，相機可以運行于一種被稱為時間延遲積分（Time Delay and Integration，TDI）的“掃描”模式。在這種模式下，望遠鏡每次只需對準夜空中的一點，幾乎不需要移動。隨著天球的轉(zhuǎn)動，天體所成的影像會劃過相機的CCD平面，逐次通過每個濾光片，數(shù)小時下來便可得到天球上一長條區(qū)域的五個波段的照片。反復這樣的過程，就可以得到連續(xù)的大片天區(qū)的數(shù)字照片。

SDSS相機前后總共拍攝的區(qū)域超過全天區(qū)的三分之一，其中很多區(qū)域都被掃描了不止一次。其拍攝的海量高質(zhì)量圖像被廣泛應用于專業(yè)天文學研究，以及各種公民科學項目和科普項目。如今，SDSS相機已經(jīng)退役，收藏于華盛頓特區(qū)的史密森尼博物館，以紀念其對天文學所做出的巨大貢獻。

圖5 頂棚可以滑動，在望遠鏡關閉時保護望遠鏡。圖為頂棚關閉時的樣子。

圖6 由30片CCD組成的SDSS的成像相機。CCD排列成5×6的陣列，有五個波段的濾色片。

光譜采集

拍攝夜空的圖像只是SDSS的第一步，作為一個光譜紅移巡天項目，測量天體的光譜才更值得期待。光譜測量要比圖像拍攝更為耗時耗力，尤其是對于暗弱的深空天體，往往需要至少幾十分鐘的曝光時間才能得到符合要求的光譜。如果對一個個天體依次測量光譜，那根本無法在有限的時間里達到我們想要的規(guī)模。我們必須要能同時采集成百上千個天體的光譜才行。

SDSS主要的光譜儀器是一對可見光波段的光纖導入式光譜儀，裝載于望遠鏡的底部。其最初設計為可以同時采集640條可見光波段的光譜，SDSS-III時升級為可同時采集1000條光譜，波長覆蓋范圍在3600?至10400埃。另外還有為銀河系演化巡天項目新建的可同時采集300條紅外光譜的高分辨率近紅外光譜儀（覆蓋1.51至1.7微米波段），以及用于視向速度巡天的可同時觀測60顆恒星的干涉光譜儀。

圖7 一塊用于采集光譜的光纖插板。板上的每個孔都對應了一個天體的位置，孔上會插入光纖，以引導特定天體的光至光譜儀。下方展示了一個已裝置好光纖插板并插好光纖的盒子。觀測時，整個盒子會被安裝到望遠鏡的底部。（Paul Preuss和Dan Long拍攝制作）

圖8 觀測人員正在往插板上插光纖，自SDSS-III起，每塊板上都需要安裝上千根光纖。（Thomas Nash拍攝）

圖9 SDSS望遠鏡底部。兩側(cè)綠色盒子中安裝著可同時采集上千條天體光譜的光譜儀。

為了能將每個天體的光分別導入光譜儀，需要在望遠鏡焦平面上每個天體的相應位置安插一根光纖。為了解決光纖定位問題，SDSS采用了一種比較原始粗暴的方法——對每一小片天區(qū)制作一塊專門的光纖插板。光纖插板的原料是一塊直徑約80厘米、厚約0.3厘米的鋁制圓板。針對每片3°左右的天區(qū)，我們首先根據(jù)SDSS圖像巡天所得數(shù)據(jù)挑選出想要采集光譜的天體，隨后根據(jù)這些天體的位置，在圓形光纖插板上的相應位置打出小孔。在觀測前，研究人員會預先把上千根光纖手工插到每一個小孔上。待觀測時，插好光纖的插板可以整個安裝到望遠鏡底部。此時將望遠鏡指向?qū)奶靺^(qū)，每個孔的位置都會精確對應一個特定的天體——恒星、星系、類星體，孔上的光纖會把來自相應的天體的光傳導至光譜儀。

使用這樣的觀測方法，SDSS在一個晴好的夜晚可以采集數(shù)千個天體的光譜。為了能完整覆蓋大面積的天區(qū)，SDSS迄今已經(jīng)制作了超過6000塊這樣的光纖插板。如今，很多最新的望遠鏡，比如我國的LAMOST，已開始使用更為先進的機器人光纖定位技術，相比之下SDSS所采用的方法顯得有些原始。然而在SDSS設計建造的當年，這一方案可以說是最行之有效的，而且也便于隨后的升級拓展。事實證明了這一方案是成功的——十幾年來，SDSS已經(jīng)使用光纖插板累計測量了超過300萬條光譜！

SDSS-III

斯隆數(shù)字化巡天的第三期（SDSS-III）開始于2008年，將于2014年中旬正式結(jié)束。SDSS-III包含四個主要部分：BOSS、SEGUE-2、APOGEE和MARVELS。

1.重子振蕩光譜巡天（Baryon Oscillation Spectroscopic Survey，簡稱BOSS）延續(xù)著SDSS的一大傳統(tǒng)項目——測量宇宙的三維大尺度結(jié)構(gòu)。重子聲學振蕩是傳播于早期宇宙的等離子體中的密度波，這些早期的波會在今日宇宙的物質(zhì)分布上留下痕跡。通過測量大量星系和類星體的紅移，我們可以繪出一張星系和類星體的三維地圖，從中探尋重子聲學振蕩的痕跡。不僅如此，類星體光譜還可以幫助我們探測星系間的中性氫，描繪宇宙中氣體的三維分布。這些三維大尺度結(jié)構(gòu)可以用來研究宇宙的起源和演化。BOSS總共會測量10000平方度天區(qū)里的超過150萬個亮星系和16萬個高紅移類星體的光譜，星系紅移范圍遠至0.7（相當于約85億光年的距離），類星體的紅移范圍在2.2到3之間（相當于距離我們約180億至210億光年的范圍）。

2.SEGUE-2（Sloan Extension for Galactic Understanding and Exploration 2）是斯隆巡天探索銀河系結(jié)構(gòu)的拓展部分，使用了原始的SDSS光譜系統(tǒng)。早先的SEGUE第一期已經(jīng)測量23萬個恒星的光譜，而SEGUE-2會在此基礎上再測量12萬個恒星的光譜。SEGUE-2側(cè)重于探索銀河系的外圍——銀暈——的結(jié)構(gòu)。結(jié)合兩期SEGUE數(shù)據(jù)，天文學家得以研究銀暈的動力學和演化歷史。SEGUE還幫助天文學家發(fā)現(xiàn)了很多此前未知的結(jié)構(gòu)，包括星流和銀河系周圍的矮星系。

3.APO銀河系演化實驗（Apache Point Observatory Galactic Evolution Experiment，簡稱APOGEE）是SDSS探索銀河系結(jié)構(gòu)的又一努力。不同于SEGUE側(cè)重銀河系外圍，APOGEE的目標是觀測銀河系的銀盤、核球和棒狀結(jié)構(gòu)。由于銀河系的銀盤內(nèi)充滿了大量的氣體和塵埃，在可見光波段我們很難看得很遠，這時必須選擇紅外波段來幫助我們穿透這“重重迷霧”。為此APOGEE專門建造了一臺高分辨率的紅外光譜儀，并選擇在紅外波段非常明亮的紅巨星作為其主要觀測目標。待SDSS-III完成時，APOGEE將總共采集超過10萬顆紅巨星的紅外光譜，屆時我們對銀河系的認識必將上一個新臺階。

4.MARVELS全稱為多目標APO視向速度外星行星大面積巡天（Multi-Object APO Radial Velocity Exoplanet Large-area Survey）。顧名思義，這個項目的目標是通過視向速度法來尋找外星行星，其設計靈敏度特別適合于探測巨行星至褐矮星大小的天體。MARVELS會持續(xù)監(jiān)測1萬顆主序星和1千顆巨星的視向速度，所得的數(shù)據(jù)可以幫助我們了解巨行星的形成和演化過程。

SDSS-IV

計劃中的斯隆數(shù)字化巡天第四期（SDSS-IV）將于2014年中旬正式開始，為期六年。目前先期準備工作和儀器測試等都已陸續(xù)展開。SDSS-IV將包含eBOSS、APOGEE-2和MaNGA三大板塊，其中又各包含一些子項目。

1.eBOSS（Extended Baryon Oscillation Spectroscopic Survey）是BOSS項目的延伸。BOSS的星系紅移最高到0.7左右，而eBOSS會將紅移上限推進到1.0。更特別的是，eBOSS對類星體的觀測將會大大增強，其目標是紅移0.9至3.5之間的約74萬個類星體。這其中包括了從未被任何巡天項目所探索過的紅移范圍。eBOSS所覆蓋總體積將會數(shù)倍于目前的BOSS，這樣的規(guī)模也是前所未見的。

除了主項目之外，eBOSS還有兩個子項目。TDSS是一個時間域光譜巡天（Time-Domain Spectroscopic Survey），將會跟蹤測量約10萬個變星和類星體的光譜，增強我們對于恒星物理和類星體物理的認識。SPIDERS（SPectroscopic IDentification of ERosita Sources）是一個和eROSITA衛(wèi)星合作的項目。將于2015年發(fā)射的eROSITA是新一代的X射線太空望遠鏡，而SPIDERS將使用SDSS光譜來辨識和確認eROSITA所找到的X射線類星體和X射線星系團。

2.APOGEE-2是APOGEE項目的擴大計劃，預計采集的恒星紅外光譜數(shù)量將增加到30萬條。為了能獲得銀河系的全貌，除了使用北半球的SDSS望遠鏡，APOGEE-2還將同時使用位于南半球智利的拉斯坎帕納斯天文臺（Las Campanas Observatory）的2.5米口徑杜邦望遠鏡（du Pont Telescope）。屆時，我們將可以得知銀河系形成和演化的更多細節(jié)。

3.MaNGA（Mapping Nearby Galaxies at APO）是SDSS-IV所引入的一個全新的板塊，它將使用積分視場單元（Integral Field Unit，簡稱IFU）來觀測鄰近的1萬個星系。以往對于一個星系我們只采集一條來自星系中心的光譜。而使用IFU，我們可以對每個星系安放一簇光纖，同時得到來自星系各個部分的多條光譜。這使得我們可以了解每個星系不同部分的速度、表面密度、年齡、化學組分、恒星形成速率等信息，對于星系形成和演化的研究有著重大的意義。

圖10 SDSS拍攝的M13武仙座球狀星團

數(shù)據(jù)處理和發(fā)布

從望遠鏡和CCD得到的原始數(shù)據(jù)，必須經(jīng)過一系列的處理——比如移除天空背景光、修正大氣吸收、根據(jù)標準恒星來校準等——才能得到真正可用的數(shù)據(jù)。這一系列的處理軟件被稱為“管道”軟件（Pipeline）。原始數(shù)據(jù)“流”過一系列的“管道”，才能得到天體的實際圖像和光譜，而這些新數(shù)據(jù)又可以再流入下一步的管道，以測量紅移和化學組分等實用信息。SDSS的管道軟件是整個團隊合作努力的結(jié)果，經(jīng)過了多年不斷的開發(fā)和完善。如果沒有可靠的管道軟件的幫助，SDSS將不可能發(fā)布如此高質(zhì)量的數(shù)據(jù)。

SDSS團隊在數(shù)據(jù)發(fā)布方面保持著優(yōu)良的傳統(tǒng)，幾乎每年都會向全球公開發(fā)布最新版本的數(shù)據(jù)。發(fā)布的數(shù)據(jù)中不僅包括基礎的圖像和光譜，還有大量由SDSS科學家制作的衍生數(shù)據(jù)，比如類星體表、星系表、恒星和星系參數(shù)、萊曼α森林樣本等。隨同數(shù)據(jù)一起發(fā)布的還有大量用于數(shù)據(jù)處理的軟件，以及詳盡的描述和幫助文檔。SDSS也提供了多種多樣的數(shù)據(jù)訪問方式，即可以在網(wǎng)頁界面直接查找某個天體的信息，也可以通過專業(yè)的數(shù)據(jù)庫訪問方式批量地下載數(shù)據(jù)。

早在2001年，SDSS就首次公開發(fā)布了大量試觀測數(shù)據(jù)。第一版正式數(shù)據(jù)DR1（Data Release 1）發(fā)布于2003年，當時包括了約2000平方度天區(qū)的圖像數(shù)據(jù)以及約18萬條光譜數(shù)據(jù)。截至本文撰寫時，最新一版的數(shù)據(jù)是發(fā)布于2013年中旬的第十版DR10。DR10的圖像數(shù)據(jù)覆蓋了14555平方度天區(qū)的多波段數(shù)字圖像，可分辨的恒星和星系總數(shù)超過4億個！可見光光譜數(shù)據(jù)包括了1848851條星系光譜、308377條類星體光譜和736484條恒星光譜。另外，還有全新的來自APOGEE項目的57454條紅外光譜。如此龐大的數(shù)據(jù)，都可以從SDSS的網(wǎng)站上免費獲取。

科學成果

極其豐富而又專業(yè)的數(shù)據(jù)，加上便利的訪問方式，使得SDSS數(shù)據(jù)被廣泛應用于專業(yè)天文學研究，所涉及的領域近有太陽系周圍的恒星，遠至靠近可觀測宇宙邊緣的類星體，小到小行星，大到宇宙的大尺度結(jié)構(gòu)。使用SDSS數(shù)據(jù)的主要研究課題包括（但不限于）暗物質(zhì)和暗能量、大尺度結(jié)構(gòu)的形成與演化、星系演化、類星體和活動星系核物理、銀河系結(jié)構(gòu)和演化等方面。粗略統(tǒng)計表明，截至2013年，累計已有超過5000篇的學術論文直接提及SDSS，間接使用SDSS的科學研究更是不計其數(shù)。

天文學科普和教學中也經(jīng)常出現(xiàn)SDSS的身影。一些著名的天文類網(wǎng)站和軟件應用都使用了SDSS的數(shù)據(jù)，比如著名的谷歌星空（Google Sky）和萬維望遠鏡（WorldWide Telescope）。SDSS網(wǎng)站上也提供了不少教學工具，可以幫助教師使用SDSS數(shù)據(jù)來設計天文學課程。近幾年興起的一些互聯(lián)網(wǎng)公民科學項目更是進一步利用了SDSS資源，把天文學科研和科普結(jié)合在了一起，比如研究星系形態(tài)的星系動物園（GalaxyZoo）以及研究銀河系結(jié)構(gòu)的MilkyWay@home項目。

圖11 SDSS圖像數(shù)據(jù)所覆蓋的天空區(qū)域，上方小圖自左向右不斷放大，可見SDSS圖像的分辨水平。由M. Blanton基于DR9數(shù)據(jù)制作。

合作團隊

斯隆數(shù)字化巡天的成功離不開廣泛的國際合作。目前，參與SDSS-III的成員單位有來自各個國家的近40所大學、天文臺、研究所和研究團體，成員單位之間既有分工，又有合作。整個合作團隊內(nèi)部有著合理的組織架構(gòu)和成文的規(guī)章制度，以保證研究工作能夠高效地進行。合作團隊會定期召開會議來交流學術成果，審議工作進度，并制定新的計劃。

在SDSS之前，如此大型的合作項目在天文學界是非常少見的。SDSS在此開創(chuàng)了先河，豎立了良好的榜樣，影響了天文學界的合作研究文化。許多曾參與SDSS的學生和研究人員，如今散布在全球各處，繼續(xù)在各類合作項目中流傳分享著SDSS的合作經(jīng)驗。

SDSS團隊中始終不乏中國學生、學者的身影，中國科學院國家天文臺的LAMOST項目也曾與SDSS-II有過合作。自2014年起，多家中國的大學和研究機構(gòu)將參與到SDSSIV，包括中國科學院國家天文臺、中國科學院上海天文臺、南京大學、清華大學。相信未來的六年里，更多來自中國的研究人員會活躍于SDSS的舞臺，和全球各地的天文學家一起，繼續(xù)繪制宇宙的三維圖像。

圖12 SDSS的BOSS和eBOSS團隊于2013年12月在伯克利國家實驗室召開會議時的合影（拍攝： Roy Kaltschmidt）。

備注：想要獲得關于斯隆數(shù)字化巡天的最新消息，歡迎關注微博（@斯隆數(shù)字化巡天）和網(wǎng)站（SDSS-III官方網(wǎng)站：www.sdss3.org）

圖3，4由Astrophysical Research Consortium (ARC)提供。

圖1，5，8，9由Fermilab Visual Media Services提供。

圖2，6，7，10，11，12由SDSS團隊提供。