《2003科学发展报告》（科学出版社，2003）

SDSS巡天观测及其在认识宇宙中的作用

 

SDSS是斯隆数字化巡天（Sloan Digital Sky Survey）项目的简称，是美国、日本和德国的八个大学和研究所的合作项目。该项目计划进行成像巡天和光谱巡天的观测，所获得的观测资料将被用以研究宇宙的大尺度结构、星系的形成与演化等天体物理学的重大前沿课题[1]。

 

SDSS使用了一架口径为2.5米的光学望远镜（图1），这样的望远镜在世界上算是中小型的，但它配备的仪器则是世界领先的。一是用于成像巡天的大型拼接CCD相机[2]，在相机中有30个CCD组成了成像部分，观测时可以同时得到五个波段上的天空图像；在相机中还有20个CCD用于天体的精确位置测量。另外是两台光纤光谱仪，可以同时测量640个天体的光谱。除了2.5米望远镜外，SDSS还配备了其它辅助的设备，一个是用于对巡天图像进行光度定标的口径为0.5米的测光望远镜，另外还有用于对天文观测条件进行监测的“视宁度监视仪”和“红外云量照相机”等仪器。SDSS于2000年开始正式的巡天观测，预计到2005年完成所有的观测任务。

SDSS telescope at dusk

图1 SDSS的2.5米望远镜

 

在SDSS的巡天计划中，将对北银极球冠部分的一万平方度的天区进行五个波段上的成像观测，该天区占整个天空的四分之一，是银河系星际物质对光线的吸收效应最小的天区。同时，SDSS也将对南银极球冠部分的三块小天区进行成像巡天。SDSS成像巡天的深度和观测到的天体数目将达到前所未有的水平，它将观测到所有亮于23星等的天体，主要包括约五千万个星系、一百万颗类星体和八千万颗恒星（图2）。SDSS在获得成像巡天的观测数据后，通过自动处理软件来对巡天图像中的天体进行检测[3]，并确定它们的位置、形态和在五个波段上的亮度（五色星等）。

图2 SDSS成像巡天的一幅图像，是由五个波段的数据合成的真彩色图像。

 

利用SDSS成像巡天所得到的上亿个天体的参数，可以将星系和类星体从中挑选出来。例如，利用天体形态的延展性来挑选出星系，而利用天体的五色星等可以将类星体从绝大多数恒星中区分出来（图3）。SDSS将依此选择出一百万个星系和十万个类星体来进行光谱巡天的观测（图4）。

图3 SDSS的双色图。根据天体的五色星等，可以通过对天体进行分类，可以发现一些特殊天体和稀有天体。

图5 SDSS光谱巡天的例子：a)红移为0.1913的星系，b) 红移为0.3735的星系，c) 红移为0.3192的星暴星系，d) 红移为0.3162的类星体，e) 红移为2.575的类星体，f) 热的白矮星。

 

SDSS的主要任务是通过光谱巡天来确定宇宙的大尺度结构，其方法是对一百万个星系进行光谱观测，有了星系光谱就能得到星系的红移，根据红移就有可以确定星系的距离，由此可以得到星系在宇宙中的三维分布（图5），从而可以研究宇宙的结构和星系的演化等问题。由于SDSS观测星系光谱的数目比以前多了十倍，因此可以更加精确地揭示出宇宙中的结构是什么样的。同时，通过SDSS的光谱巡天，不但可以了解星系和类星体在空间上的分布，而且可以了解它们在时间上的演化。SDSS观测到的星系和类星体可以远达数十亿光年甚至上百亿光年，也就是看到它们在数十亿年到上百亿年前的样子。因此，比较不同距离上的星系和类星体的物理特性，就可以研究它们随时间的演化过程。另外，SDSS所获得的上百万个类星体的光谱可以用来探测宇宙中遥远的星系间的物质分布。这是因为类星体距离我们十分遥远，在其光线传播过程中会被星系间的物质吸收掉特定波长上的光，从而可以用来研究宇宙的演化历史。

Galaxy wedge plot

图4 SDSS星系红移巡天所得到的宇宙大尺度结构的一个切片图。

 

同时，利用SDSS成像巡天所得到的天体的五色星等的数据，不但可以区分出大量的类星体，还可以找到褐矮星、白矮星等其它类型的天体（图3）。而且，在SDSS这样的大型巡天观测中，很有可能发现一批极为稀有的天体或是完全新型的天体。

 

SDSS的巡天虽然还在进行中，但已经取得了一批非常激动人心的结果[1]。SDSS探测到了星系的微引力透镜效应，由此可以确定星系中的总质量和物质分布情况。已经发现了数万个新的类星体，观测到了一大批高红移的类星体，在目前已知的30个最遥远的天体中，有26个是由SDSS的发现的；SDSS还发现了一种新型的类星体。确定了银河系内上百个遥远恒星的距离，显示了银河系曾经吞并近邻小星系的证据，从而改变了银河系结构的理论模型。发现了一批褐矮星，它们是极低质量的恒星或是亚恒星，对恒星形成与演化的理论提出了重要的观测限制。发现了许多太阳系内的暗弱小行星，表明小于4公里的小行星的数目比以前预计的要小，因而小行星撞击地球的危机也降低了。SDSS还发现了一些极不寻常的天体，到目前尚不知道这些天体的物理本质。

 

当前，世界上已有了近十架口径为8-10米的光学望远镜，而SDSS使用的望远镜只能算是中小型的。但由于SDSS项目选择了大视场巡天的目标，并使之达到了前所未有的深度、广度和精度，因此SDSS将会极大地推动人类对宇宙的认识。

 

参考文献

[1] York, D. Adelman, J. Anderson, J. et al.. The Sloan Digital Sky Survey: Technical Summary.Astronomical Journal.2000(120):1579-1587

[2] Gunn, J. Carr, M. Rockosi, C. et al..The Sloan Digital Sky Survey Photometric Camera. Astronomical Journal.1998(116): 3040-3081

[3] Stoughton, C. Lupton, R. Bernardi, M. et al..Sloan Digital Sky Survey: Early Data Release. Astronomical Journal.2002(123): 485-548

 

The Sloan Digital Sky Survey and its roles to understand universe

 

In this paper the Sloan Digital Sky Survey (SDSS) is introduced. SDSS is doing a photometric survey and a spectroscopic survey in the one quarter of entire sky. It will determine the positions and brightnesses of more than 100 million clestial objects. It will also measure the distances to more than a million galaxies and quasars, which will suport detailed investigation of the large scale structure of the universe. Early results from SDSS have already led to significant scientific discoveries in many fields.

 

SDSS巡天观测及其在认识宇宙中的作用

 

本文介绍了斯隆数字化巡天（SDSS）项目。SDSS将对整个天空的四分之一进行成像巡天和光谱巡天，将得到上亿个天体的位置和亮度，并将测定上百万个星系和类星体的距离，这将会极大地推动对宇宙的大尺度结构的精细研究。目前SDSS的早期结果已经导致了许多重大的科学发现。

 

 

中国科学院国家天文台 赵永恒

 

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