近日，中國(guó)科學(xué)院紫金山天文臺(tái)與上海交通大學(xué)、中國(guó)科學(xué)院云南天文臺(tái)和中國(guó)科學(xué)院國(guó)家天文臺(tái)等單位的聯(lián)合研究團(tuán)隊(duì)開展了中國(guó)空間站巡天空間望遠(yuǎn)鏡(CSST)的無(wú)縫光譜紅移巡天能力的仿真模擬和評(píng)估研究工作，結(jié)果表明大約有四分之一的z波段亮于21星等的星系可以通過(guò)CSST無(wú)縫光譜巡天獲得可靠的紅移證認(rèn)，并被運(yùn)用于開展宇宙學(xué)研究。相關(guān)成果以CSST large-scale structure analysis pipeline: II. The CSST Emulator for Slitless Spectroscopy為題正式發(fā)表于天文期刊《皇家天文學(xué)會(huì)月刊》(Monthly Notices of the Royal Astronomical Society)。
 

　　CSST在星系宇宙學(xué)領(lǐng)域的主要科學(xué)目標(biāo)之一是建立最大規(guī)模的星系紅移巡天樣本，驗(yàn)證宇宙大尺度結(jié)構(gòu)演化理論，探究暗物質(zhì)與暗能量屬性。CSST無(wú)縫光譜巡天能夠無(wú)差別獲得CSST的寬天區(qū)內(nèi)天體的無(wú)縫光譜，使得星系紅移證認(rèn)效率最大化，進(jìn)而精確測(cè)量宇宙的膨脹歷史和結(jié)構(gòu)增長(zhǎng)，從而獲得對(duì)暗能量和宇宙加速膨脹理論的嚴(yán)格限制。在預(yù)研究階段需要定量評(píng)估CSST的無(wú)縫光譜巡天的探測(cè)能力、選擇效應(yīng)和研發(fā)相關(guān)科學(xué)數(shù)據(jù)分析軟件工具。
 

　　對(duì)基于光譜紅移巡天的宇宙大尺度結(jié)構(gòu)測(cè)量，兩個(gè)關(guān)鍵的因素是光譜紅移的純度和光譜紅移樣本的完備度。前者包括光譜紅移的統(tǒng)計(jì)和系統(tǒng)誤差，直接影響三維分布的刻畫；而隨徑向和橫向變化的完備度則會(huì)敏感地影響大尺度結(jié)構(gòu)信號(hào)，尤其影響紅移畸變的測(cè)量，需要精確的修正。這兩個(gè)因素既依賴于具體的紅移測(cè)量軟件，也需要構(gòu)建實(shí)測(cè)星系光譜、加入CSST觀測(cè)效應(yīng)、嵌入宇宙大尺度結(jié)構(gòu)框架的目標(biāo)星系表來(lái)進(jìn)行測(cè)試和優(yōu)化。
 

　　研究團(tuán)隊(duì)開發(fā)出一套CSST的無(wú)縫光譜仿真器軟件包CESS (CSST Emulator for Slitless Spectroscopy)，基于CSST無(wú)縫光譜巡天模塊的儀器參數(shù)和觀測(cè)效率，結(jié)合已有哈勃空間望遠(yuǎn)鏡觀測(cè)獲得的小樣本星系結(jié)構(gòu)分布經(jīng)驗(yàn)關(guān)系，能夠快速生成包含數(shù)億星系的超大樣本的CSST高精度一維仿真無(wú)縫光譜數(shù)據(jù)，用于分析光譜紅移巡天計(jì)劃的科學(xué)潛力、評(píng)估儀器效應(yīng)的影響、確定星系特性與紅移測(cè)量誤差的依賴關(guān)系。CESS的流程圖和對(duì)單個(gè)星系的CSST無(wú)縫光譜觀測(cè)結(jié)果的仿真案例如圖1所示。CESS可以對(duì)輸入的星系樣本進(jìn)行形態(tài)學(xué)參數(shù)的模擬和構(gòu)建，并根據(jù)形態(tài)學(xué)參數(shù)將二維無(wú)縫光譜圖像按照色散方向和空間方向分解，快速模擬無(wú)縫光譜的噪聲，計(jì)算信噪比，抽取出仿真一維無(wú)縫光譜，并可以探測(cè)發(fā)射線信息并儲(chǔ)存下來(lái)用于后續(xù)的科學(xué)分析研究。
 

　　研究團(tuán)隊(duì)使用DESI LS DR9的測(cè)光數(shù)據(jù)生成模擬紅移巡天星系源表，利用BayeSED生成對(duì)應(yīng)的高分辨率星系光譜庫(kù)，再使用CESS得到對(duì)應(yīng)的CSST仿真無(wú)縫光譜數(shù)據(jù)庫(kù)。對(duì)這一星系樣本包括138 348 981個(gè)z波段亮于21星等的星系，主要分布在紅移1以內(nèi)。圖2展示了基于仿真無(wú)縫光譜測(cè)量紅移的統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明，基于發(fā)射線證認(rèn)或連續(xù)譜擬合獲得可靠紅移測(cè)量的星系比例約占到了總樣本的25%。對(duì)于CSST無(wú)縫光譜GU、GV和GI三個(gè)波段的平均信噪比而言，GI波段的平均信噪比最好，樣本中低紅移(z < 0.2)星系的GI波段信噪比的中位數(shù)可以到達(dá)5以上，GV波段其次，GU波段的信噪比最差。三個(gè)波段的平均信噪比隨紅移的變化如圖3所示。
 

　　該項(xiàng)工作是CSST大尺度結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)處理管線中的重要組成，為整個(gè)CSST無(wú)縫光譜紅移巡天項(xiàng)目提供了高精度的CSST無(wú)縫光譜仿真觀測(cè)數(shù)據(jù)，為后續(xù)的紅移測(cè)量誤差分析等工作提供重要的支撐，為定量評(píng)估CSST無(wú)縫光譜巡天策略和科學(xué)潛力奠定基礎(chǔ)。
 

　　該工作的第一作者為紫金山天文臺(tái)博士研究生文潤(rùn)，通訊作者為其合作導(dǎo)師鄭憲忠研究員。該工作得到了中國(guó)載人航天工程、國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃和國(guó)家自然科學(xué)基金等項(xiàng)目的資助。
 

　　圖1. 上圖：CESS軟件包的流程圖，包括了主要流程部分和兩個(gè)額外的模塊。下圖：由CESS生成的星系的一維CSST無(wú)縫光譜仿真結(jié)果和相應(yīng)的信息。
 

　　圖2. 基于CSST無(wú)縫光譜獲得的可靠紅移測(cè)量統(tǒng)計(jì)結(jié)果。基于雙發(fā)射線、發(fā)射線+連續(xù)譜和連續(xù)譜三類可靠紅移測(cè)量統(tǒng)計(jì)表明，大約有四分之一的星系能有可靠的紅移測(cè)量數(shù)據(jù)。
 

　　圖3. CSST無(wú)縫光譜的三個(gè)波段的平均信噪比和信噪比中位數(shù)隨紅移的變化。二維顏色分布圖代表位于該紅移和信噪比處的星系數(shù)密度。