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導讀：
就在3月底，第三代大尺度巡天專案“千平方度巡天”（Kilo-Degree Survey, KiDS）釋出的最新觀測結果和CMB結果一致，證實了宇宙標準模型的有效性。困擾了宇宙學家們近10年的“S8衝突”消失了，宇宙學達成了和諧。
顏子昂 | 撰文
王一葦 | 編輯
過去幾十年的觀測資料顯示，大家熟知的各種原子、分子等“普通物質”只佔了宇宙組分的不到5%，剩餘部分由神秘的暗物質和暗能量組成。它們幾乎主宰了宇宙整體的演化：暗能量驅使宇宙加速膨脹，暗物質的引力把星系聚合成大尺度結構。
暗物質和暗能量的本質是什麼？在空間中如何分佈？在時間長河中如何演化？它們和其它天體如何相互作用？
為了弄清楚這些問題，探索其中可能蘊含新的物理規律，天文學家們利用高解析度巡天望遠鏡拍攝深空照片，描繪出宇宙大尺度結構的影像，從中尋覓暗物質和暗能量的蛛絲馬跡。這就是“星系巡天”。
根據觀測手段，星系巡天分為測光巡天和光譜巡天。測光巡天可提供多波段星系影像，而光譜巡天提供完整的光譜資料。二者各有優劣：測光巡天可以覆蓋大範圍天區，而且觀測效率較高，可提供大量星系樣本，但不能測量單個星系的距離；光譜巡天可精確測量單個星系的距離，化學成分等，但效率較低。在當代宇宙學中，二者經常相輔相成。
圖1，暗能量光譜儀巡天DESI在2024年釋出的大尺度結構影像。其中每一個微小的藍綠色亮點代表一個星系，它們在引力的作用下聚合成星系團和纖維狀結構。圖源：Claire Lamman/DESI collaboration; custom colormap package by cmastro
暗物質會悄然影響巡天影像中的星系形狀。當遠處星系發來的光經過近處大尺度結構時，受其引力影響發生折彎，這一現象被稱為“弱引力透鏡”。在弱引力透鏡的影響下，星系影像發生扭曲，呈現“宇宙學切變（cosmic shear）”，它可以告訴我們暗物質在宇宙中的含量和分佈，因此很受宇宙學家們的青睞。
圖2，弱引力透鏡效應的示意圖，左上角的背景星系發來的光在大尺度結構的引力透鏡作用下形成了扭曲的影像。圖源：https://www.jessiemuir.com/2020-06-14-weaklensing/
然而，單個星系的宇宙學切變微弱，難以直接辨別，但我們可以對大量星系的樣本做統計分析找到它的蹤跡。大視場測光巡天為此提供了關鍵資料，這類巡天對宇宙深處的星系進行高解析度攝像，從中準確地測量出星系的形狀。如果沒有引力效應，星系的指向應該是隨機的，而宇宙學切變使得不同星系的指向之間出現相關性。這一相關性訊號非常微弱，直到2000年，人們才積累了足夠的大星系樣本測量到了它。從那以後，越來越多的測光巡天專案展開，加入到弱引力透鏡宇宙學的研究中來。
圖3,由詹姆斯–韋伯望遠鏡拍攝的星系影像。圖中那些扭曲的橙紅色星系影像就是它們被近處暗物質引力扭曲的結果。這張圖顯示的是強引力透鏡，事實上弱引力透鏡不會產生如此明顯的扭曲效果，只能透過對大量星系的統計分析來找到它的蛛絲馬跡。圖源：NASA; ESA; CSA; STScI
宇宙學切變的分析是十分複雜的工作，許多因素都會導致宇宙學結果出現顯著差異。大氣的抖動，同一條視線上多個星系混合成像都會影響星系形狀的測量。除了引力透鏡效應外，星系附近引力場的潮汐作用也會改變星系的指向（這一效應稱為內稟指向）；而小尺度下（宇宙學家口中的小尺度也有百萬光年的量級，相當於星系團的尺度）的非線性結構演化，以及複雜的重子物理過程都會影響密度漲落的模型。另一個至關重要的影響因子是星系的紅移。由於測光巡天無法測量每個星系的光譜，得不到準確的星系紅移值，我們需要仔細校準星系樣本的紅移分佈。為了得到準確的宇宙學結果，我們必須儘可能降低這些誤差。
不同的巡天專案在擴大星系樣本容量和消除系統誤差上精益求精，已經大有收穫。如今正在活躍的測光巡天專案，包括由歐洲科學家領導的千平方度巡天（Kilo Degree Survey, KiDS），美國科學家領導的暗能量巡天(Dark Energy Survey, DES)，和日本科學家領導的昴星團望遠鏡主焦點相機巡天（Hyper Suprime-Cam Subaru Strategic Program, HSC）。在過去的十年間，它們各自獨立地測量了大量星系的形狀和位置，並從中測量出了顯著的宇宙學切變訊號。這些測光巡天專案和光譜巡天（如SDSS，DESI）、CMB觀測（如Planck，ACT，SPT）等實驗結合起來，不斷推進我們對宇宙學引數、大尺度結構的演化、星系尺度的重子物理過程等等方面的認識。
2006年的一篇暗能量宇宙學的白皮書[1]，把一系列正在進行和計劃中的巡天專案按照技術指標和資料質量分成四個階段。彼時我們尚處於第二代巡天的時代，而近十年後的今天已經是第三代（包括上述的KiDS，DES，HSC巡天）和第四代之間承上啟下的關鍵時期。
圖4，第二代（CFHTLenS，DLS），第三代（KiDS，DES，HSC，UNIONS）和第四代（CSST，LSST，Euclid，Roman）巡天的資料質量對比。橫軸代表星系數密度，縱軸代表巡天面積，這兩者影響星系樣本的隨機誤差；彩虹條代表測光的波段範圍，越廣的波段可以得到越精確的紅移估計；藍色圓點代表視寧度，越小代表成像越清晰。圖源：KiDS第五次資料釋出論文[2]
宇宙學切變訊號蘊含多種資訊，其中漲落幅度用S8引數描述：S8越大，暗物質和星系越傾向於緊緊聚合在一起；反之，星系分佈越均勻。隨著星系樣本的增大，我們觀測到的宇宙學切變越來越顯著，對S8的限制也越來越精確。第三代巡天已經可以把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）中蘊含的高紅移早期宇宙資訊，結合標準宇宙演化模型推測S8。兩種技術互相獨立，各有利弊：CMB觀測更加成熟，但結論更依賴於宇宙學模型，而弱引力透鏡的系統誤差較為複雜。
2013年，第二代巡天CFHTLenS就發現宇宙學切變得到的S8比Planck衛星從CMB中推測的的結果偏小，而截至去年，三大第三代巡天——DES，KiDS，HSC——已經發布了多次宇宙學結果，和Planck衛星從CMB得到的結果皆存在不同程度的差異。其中2021年KiDS團隊基於第四次資料釋出(DR4)得到的KiDS-1000宇宙學結果[3]顯示，S8比Planck的結果低了約9%，差異的顯著性達到了約三倍標準差，換句話說，這一差別是統計性起伏的可能性不足千分之一。
也就是說，從巡天專案中得到的資料顯示，宇宙比標準模型預期的更均勻。但，這一結論成立嗎？標準模型錯了嗎？
圖5，KiDS，DES和HSC上一次發表的S8和物質密度引數Omega_m的限制結果。每個實驗的兩個等高線圈分別代表68%（內）和95%（外）的置信區間。可以看出三個弱引力透鏡實驗得到的S8比Planck-2018的結果更低，圖片來源：HSC第三年宇宙學結果論文[4]
科學家們分析，這一“衝突”的來源有兩類可能：要麼是CMB所依賴的標準宇宙學模型有誤，導致推出了偏高的S8；要麼是弱引力透鏡實驗中系統誤差沒有處理乾淨，導致了偏低的S8。
自從S8衝突出現以來，科學家們不斷探索實驗和理論中殘存的誤差對S8的影響。一直沒有得到滿意的答案。但總之，S8衝突的出現說明我們對資料或者模型中還存在未知因素。
由歐洲南方天文臺（ESO）的甚大巡天望遠鏡（VLT Survey Telescope, VST）主導的KiDS是第三代巡天中的一員，雖然視場大小不及DES，巡天深度（即每平方度的星系數量）不及HSC，但搭配了VIKING巡天的紅外波段測量後，KiDS的星系樣本有9個波段的星等資料，因此在紅移的精確度上有得天獨厚的優勢。KiDS專案已經運行了14年，發表了多次弱引力透鏡宇宙學結果。
2024年6月，KiDS團隊發表了第五次資料釋出(DR5)的論文。這次資料釋出涵蓋約1350平方度的天區，比DR4增加了約350平方度。KiDS團隊從中篩選出四千多萬個星系編成最終的“檔案”星系目錄(Legacy catalog)。得益於更大的光譜資料（光譜樣本5倍於KiDS-1000），KiDS-Legacy可以包含更遠距離內的星系，最大星系距離從KiDS-1000的85億光年增加到105億光年。KiDS團隊把這些星系按照紅移間隔被分成6個層析樣本（比KiDS-1000增加了一個），測量了其中的宇宙學切變的訊號，對100億年前至今的大尺度結構的演化做了切片式分析。
圖6，KiDS-Legacy繪製的暗物質天圖。圖中顯示了月亮和KiDS-Legacy視場大小的比較。圖片來源：R. Reischke, K.Kuijken, B.Giblin and the KiDS team
2025年3月26日，根據上述宇宙學分析，KiDS釋出了其最終宇宙學結果，KiDS團隊稱之為KiDS-Legacy宇宙學[5]。由於觀測面積和星系數目的增大，KiDS-Legacy對S8的限制精度提高了15%左右，不確定度降低到2.5%以下。這次的宇宙學結果出乎意料：從KiDS-Legacy得到的S8和Planck的差異縮小到了0.73 倍標準差，這意味著在統計學範圍內和Planck一致。這是過去的弱引力透鏡專案中人們測量到的最大S8數值，而且比前一次KiDS宇宙學結果增大了約兩倍標準差。因此我們可以說，宇宙大尺度結構的漲落依舊遵循標準模型。
（圖7，KiDS-Legacy得到的宇宙學引數測量結果（顯示為綠色）顯示S8和Planck的結果（顯示為紅色）一致。左：S8和物質密度引數Omega_m的聯合後驗分佈；右：S8的限制結果。圖片來源：KiDS-Legacy宇宙學論文[5]）
那麼，是什麼導致S8的結果出現瞭如此顯著的改變？KiDS-Legacy團隊花費了大量時間和精力去改進分析流程，扣除系統誤差，並利用新的數值模擬來驗證其方法，對其資料一致性也做了全面的檢驗[6]，力求確保其宇宙學結果的準確性和穩健性。KiDS團隊仔細分析了這些改進對宇宙學結果產生的影響。其中，對S8結果改變最主要的原因是KiDS-Legacy在紅移校準方面的改進。
為了校準星系紅移，KiDS團隊先挑出被光譜巡天測量過的星系作為參考樣本，在機器學習的輔助下獲得星系各波段亮度和紅移之間的關係，從而得到紅移分佈。KiDS-Legacy改進了KiDS-1000使用的紅移校準方法[7]，透過增加機器學習的訓練次數以避免訓練過程中出現的隨機誤差。此外，更大的光譜樣本也了提高紅移校準準確性。當KiDS團隊把Legacy的紅移校準方法和光譜樣本應用到KiDS-1000上時，KiDS-1000和Planck的S8衝突得到了極大的緩解。
就這樣，在第三代巡天的尾聲，KiDS-Legacy調和了高紅移的CMB和低紅移的弱引力透鏡的S8衝突，為宇宙學描繪了一幅和諧的圖景。
KiDS-Legacy的發表給出了亮眼的答案，但這並不是終點。DES和HSC的最終資料分析還在如火如荼地進行中，第三代巡天即將交出最終答卷。與此同時，第四代巡天也已經拉開序幕：Euclid空間望遠鏡已經公開了首批資料（Q1）；薇拉·魯賓天文臺的時空檔案巡天（Legacy Survey of Space and Time, LSST）將在2025年7月正式開始觀測；我國的“巡天”空間望遠鏡也計劃近年發射，加入其中。
（圖8，位於智利的薇拉–魯賓天文臺，它將承擔“時空檔案巡天（LSST）”任務）
巡天技術的進步離不開精密光學儀器，航空航天，大資料儲存和計算等科學技術的發展。和第三代相比，第四代巡天的視場會增大近十倍，覆蓋超過一半的天空；深度也會增大好幾倍。龐大的樣本會給它們的資料精確度（presicion）帶來質的飛躍，同時，訊號和模型中殘留的系統誤差會變得更加顯著。這就像打靶時手更穩了（精確度更高），但瞄準鏡還是歪的（有殘留的系統誤差），那麼子彈都會打到偏離靶心的同一位置，這樣的話精確度越高，準確度（accuracy）反而越低。因此，下一代巡天對各個環節的系統誤差糾正提出了更高的要求。
過去的二十年間，各大測光巡天專案在觀測策略，資料處理方法，星系形狀測定，紅移校準，數值模擬，系統誤差控制等方面積累的經驗，為第四代巡天繪製了寶貴的藍圖。此外，第四代巡天多為大型專案（例如LSST的暗能量科學合作組織DESC已經有1000多名來自世界各地的成員），如何創造和諧而高效的合作與交流環境也成為了天文學家們面對的新課題。
S8衝突的出現，研究和解決，是人類在探索暗物質和暗能量過程中的一個重要插曲，也是人們孜孜不倦地追求科學的精確和準確性的一個縮影。可以期待，即使S8衝突塵埃落定，未來的觀測資料仍會帶來新的發現和疑難。在這樣的期待的驅使下，相信將來我們會真正揭曉暗物質和暗能量的謎底，把人類對宇宙的認知帶入一個新的時代。
參考來源：（上下滑動可瀏覽）
1.給星系巡天劃分階段的白皮書：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資料釋出論文：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弱引力透鏡宇宙學論文：Wright A.H., et al., 2025, doi:10.48550/arXiv.2503.19441
6.KiDS-Legacy紅移校準論文：Wright A.H., et al., 2025, doi:10.48550/arXiv.2503.19440
7.KiDS-Legacy一致性檢驗論文：Stölzner B., et al., 2025,doi:10.48550/arXiv.2503.19442
作者簡介：
顏子昂，不列顛哥倫比亞大學物理與天文系博士，現波鴻魯爾大學的德國宇宙學透鏡研究中心博士後研究員，KiDS和LSST-DESC的成員。主要從事弱引力透鏡和大尺度結構的研究。
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