最新结果确认标准宇宙模型

十多年来，天文学家们从测光巡天数据中发现，宇宙的密度分布比另一测量方法微波背景辐射（CMB）结果预期的更加均匀，这就是所谓的“S8”冲突。一直以来这一冲突都没有满意的解释。它成为了目前第三代巡天中的一个谜题，影响了我们对暗物质和暗能量的理解。

就在3月底，第三代大尺度巡天项目“千平方度巡天”（Kilo-Degree Survey, KiDS）发布的最新观测结果和CMB结果一致，证实了宇宙标准模型的有效性。困扰了宇宙学家们近10年的“S8冲突”消失了，宇宙学达成了和谐。

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一、揭秘宇宙的黑暗一面

——星系巡天和弱引力透镜

过去几十年的观测数据显示，大家熟知的各种原子、分子等“普通物质”只占了宇宙组分的不到5%，剩余部分由神秘的暗物质和暗能量组成。它们几乎主宰了宇宙整体的演化：暗能量驱使宇宙加速膨胀，暗物质的引力把星系聚合成大尺度结构。

暗物质和暗能量的本质是什么？在空间中如何分布？在时间长河中如何演化？它们和其它天体如何相互作用？

为了弄清楚这些问题，探索其中可能蕴含新的物理规律，天文学家们利用高分辨率巡天望远镜拍摄深空照片，描绘出宇宙大尺度结构的图像，从中寻觅暗物质和暗能量的蛛丝马迹。这就是“星系巡天”。

根据观测手段，星系巡天分为测光巡天和光谱巡天。测光巡天可提供多波段星系图像，而光谱巡天提供完整的光谱数据。二者各有优劣：测光巡天可以覆盖大范围天区，而且观测效率较高，可提供大量星系样本，但不能测量单个星系的距离；光谱巡天可精确测量单个星系的距离，化学成分等，但效率较低。在当代宇宙学中，二者经常相辅相成。

图1，暗能量光谱仪巡天DESI在2024年发布的大尺度结构图像。其中每一个微小的蓝绿色亮点代表一个星系，它们在引力的作用下聚合成星系团和纤维状结构。图源：Claire Lamman/DESI collaboration; custom colormap package by cmastro

暗物质会悄然影响巡天图像中的星系形状。当远处星系发来的光经过近处大尺度结构时，受其引力影响发生折弯，这一现象被称为“弱引力透镜”。在弱引力透镜的影响下，星系图像发生扭曲，呈现“宇宙学切变（cosmic shear）”，它可以告诉我们暗物质在宇宙中的含量和分布，因此很受宇宙学家们的青睐。

图2，弱引力透镜效应的示意图，左上角的背景星系发来的光在大尺度结构的引力透镜作用下形成了扭曲的图像。图源：https://www.jessiemuir.com/2020-06-14-weaklensing/

然而，单个星系的宇宙学切变微弱，难以直接辨别，但我们可以对大量星系的样本做统计分析找到它的踪迹。大视场测光巡天为此提供了关键数据，这类巡天对宇宙深处的星系进行高分辨率摄像，从中准确地测量出星系的形状。如果没有引力效应，星系的指向应该是随机的，而宇宙学切变使得不同星系的指向之间出现相关性。这一相关性信号非常微弱，直到2000年，人们才积累了足够的大星系样本测量到了它。从那以后，越来越多的测光巡天项目展开，加入到弱引力透镜宇宙学的研究中来。

图3,由詹姆斯-韦伯望远镜拍摄的星系图像。图中那些扭曲的橙红色星系图像就是它们被近处暗物质引力扭曲的结果。这张图显示的是强引力透镜，事实上弱引力透镜不会产生如此明显的扭曲效果，只能通过对大量星系的统计分析来找到它的蛛丝马迹。图源：NASA; ESA; CSA; STScI

宇宙学切变的分析是十分复杂的工作，许多因素都会导致宇宙学结果出现显著差异。大气的抖动，同一条视线上多个星系混合成像都会影响星系形状的测量。除了引力透镜效应外 ，星系附近引力场的潮汐作用也会改变星系的指向（这一效应称为内禀指向）；而小尺度下（宇宙学家口中的小尺度也有百万光年的量级，相当于星系团的尺度）的非线性结构演化，以及复杂的重子物理过程都会影响密度涨落的模型。另一个至关重要的影响因子是星系的红移。由于测光巡天无法测量每个星系的光谱，得不到准确的星系红移值，我们需要仔细校准星系样本的红移分布。为了得到准确的宇宙学结果，我们必须尽可能降低这些误差。

不同的巡天项目在扩大星系样本容量和消除系统误差上精益求精，已经大有收获。如今正在活跃的测光巡天项目，包括由欧洲科学家领导的千平方度巡天（Kilo Degree Survey, KiDS），美国科学家领导的暗能量巡天(Dark Energy Survey, DES)，和日本科学家领导的昴星团望远镜主焦点相机巡天（Hyper Suprime-Cam Subaru Strategic Program, HSC）。在过去的十年间，它们各自独立地测量了大量星系的形状和位置，并从中测量出了显著的宇宙学切变信号。这些测光巡天项目和光谱巡天（如SDSS，DESI）、CMB观测（如Planck，ACT，SPT）等实验结合起来，不断推进我们对宇宙学参数、大尺度结构的演化、星系尺度的重子物理过程等等方面的认识。

2006年的一篇暗能量宇宙学的白皮书[1]，把一系列正在进行和计划中的巡天项目按照技术指标和数据质量分成四个阶段。彼时我们尚处于第二代巡天的时代，而近十年后的今天已经是第三代（包括上述的KiDS，DES，HSC巡天）和第四代之间承上启下的关键时期。

图4，第二代（CFHTLenS，DLS），第三代（KiDS，DES，HSC，UNIONS）和第四代（CSST，LSST，Euclid，Roman）巡天的数据质量对比。横轴代表星系数密度，纵轴代表巡天面积，这两者影响星系样本的随机误差；彩虹条代表测光的波段范围，越广的波段可以得到越精确的红移估计；蓝色圆点代表视宁度，越小代表成像越清晰。图源：KiDS第五次数据发布论文[2]

二、两类观测实验的争鸣：S8“冲突”

宇宙学切变信号蕴含多种信息，其中涨落幅度用S8参数描述：S8越大，暗物质和星系越倾向于紧紧聚合在一起；反之，星系分布越均匀。随着星系样本的增大，我们观测到的宇宙学切变越来越显著，对S8的限制也越来越精确。第三代巡天已经可以把S8的不确定度缩小到4%以下。

除了弱引力透镜外，我们还可以用宇宙微波背景辐射（Cosmic Microwave Background, CMB）中蕴含的高红移早期宇宙信息，结合标准宇宙演化模型推测S8。两种技术互相独立，各有利弊：CMB观测更加成熟，但结论更依赖于宇宙学模型，而弱引力透镜的系统误差较为复杂。

2013年，第二代巡天CFHTLenS就发现宇宙学切变得到的S8比Planck卫星从CMB中推测的的结果偏小，而截至去年，三大第三代巡天——DES，KiDS，HSC——已经发布了多次宇宙学结果，和Planck卫星从CMB得到的结果皆存在不同程度的差异。其中2021年KiDS团队基于第四次数据发布(DR4)得到的KiDS-1000宇宙学结果[3]显示，S8比Planck的结果低了约9%，差异的显著性达到了约三倍标准差，换句话说，这一差别是统计性起伏的可能性不足千分之一。

也就是说，从巡天项目中得到的数据显示，宇宙比标准模型预期的更均匀。但，这一结论成立吗？标准模型错了吗？

图5，KiDS，DES和HSC上一次发表的S8和物质密度参数Omega_m的限制结果。每个实验的两个等高线圈分别代表68%（内）和95%（外）的置信区间。可以看出三个弱引力透镜实验得到的S8比Planck-2018的结果更低，图片来源：HSC第三年宇宙学结果论文[4]

科学家们分析，这一“冲突”的来源有两类可能：要么是CMB所依赖的标准宇宙学模型有误，导致推出了偏高的S8；要么是弱引力透镜实验中系统误差没有处理干净，导致了偏低的S8。

自从S8冲突出现以来，科学家们不断探索实验和理论中残存的误差对S8的影响。一直没有得到满意的答案。但总之，S8冲突的出现说明我们对数据或者模型中还存在未知因素。

三、和谐的终曲？KiDS-Legacy的答卷

由欧洲南方天文台（ESO）的甚大巡天望远镜（VLT Survey Telescope, VST）主导的KiDS是第三代巡天中的一员，虽然视场大小不及DES，巡天深度（即每平方度的星系数量）不及HSC，但搭配了VIKING巡天的红外波段测量后，KiDS的星系样本有9个波段的星等数据，因此在红移的精确度上有得天独厚的优势。KiDS项目已经运行了14年，发表了多次弱引力透镜宇宙学结果。

2024年6月，KiDS团队发表了第五次数据发布(DR5)的论文。这次数据发布涵盖约1350平方度的天区，比DR4增加了约350平方度。KiDS团队从中筛选出四千多万个星系编成最终的“档案”星系目录(Legacy catalog)。得益于更大的光谱数据（光谱样本5倍于KiDS-1000），KiDS-Legacy可以包含更远距离内的星系，最大星系距离从KiDS-1000的85亿光年增加到105亿光年。KiDS团队把这些星系按照红移间隔被分成6个层析样本（比KiDS-1000增加了一个），测量了其中的宇宙学切变的信号，对100亿年前至今的大尺度结构的演化做了切片式分析。

图6，KiDS-Legacy绘制的暗物质天图。图中显示了月亮和KiDS-Legacy视场大小的比较。图片来源：R. Reischke, K.Kuijken, B.Giblin and the KiDS team

2025年3月26日，根据上述宇宙学分析，KiDS发布了其最终宇宙学结果，KiDS团队称之为KiDS-Legacy宇宙学[5]。由于观测面积和星系数目的增大，KiDS-Legacy对S8的限制精度提高了15%左右，不确定度降低到2.5%以下。这次的宇宙学结果出乎意料：从KiDS-Legacy得到的S8和Planck的差异缩小到了0.73 倍标准差，这意味着在统计学范围内和Planck一致。这是过去的弱引力透镜项目中人们测量到的最大S8数值，而且比前一次KiDS宇宙学结果增大了约两倍标准差。因此我们可以说，宇宙大尺度结构的涨落依旧遵循标准模型。

（图7，KiDS-Legacy得到的宇宙学参数测量结果（显示为绿色）显示S8和Planck的结果（显示为红色）一致。左：S8和物质密度参数Omega_m的联合后验分布；右：S8的限制结果。图片来源：KiDS-Legacy宇宙学论文[5]）

那么，是什么导致S8的结果出现了如此显著的改变？KiDS-Legacy团队花费了大量时间和精力去改进分析流程，扣除系统误差，并利用新的数值模拟来验证其方法，对其数据一致性也做了全面的检验[6]，力求确保其宇宙学结果的准确性和稳健性。KiDS团队仔细分析了这些改进对宇宙学结果产生的影响。其中，对S8结果改变最主要的原因是KiDS-Legacy在红移校准方面的改进。

为了校准星系红移，KiDS团队先挑出被光谱巡天测量过的星系作为参考样本，在机器学习的辅助下获得星系各波段亮度和红移之间的关系，从而得到红移分布。KiDS-Legacy改进了KiDS-1000使用的红移校准方法[7]，通过增加机器学习的训练次数以避免训练过程中出现的随机误差。此外，更大的光谱样本也了提高红移校准准确性。当KiDS团队把Legacy的红移校准方法和光谱样本应用到KiDS-1000上时，KiDS-1000和Planck的S8冲突得到了极大的缓解。

就这样，在第三代巡天的尾声，KiDS-Legacy调和了高红移的CMB和低红移的弱引力透镜的S8冲突，为宇宙学描绘了一幅和谐的图景。

四、宇宙学的下一个盛宴：第四代宇宙学巡天

KiDS-Legacy的发表给出了亮眼的答案，但这并不是终点。DES和HSC的最终数据分析还在如火如荼地进行中，第三代巡天即将交出最终答卷。与此同时，第四代巡天也已经拉开序幕：Euclid空间望远镜已经公开了首批数据（Q1）；薇拉·鲁宾天文台的时空档案巡天（Legacy Survey of Space and Time, LSST）将在2025年7月正式开始观测；我国的“巡天”空间望远镜也计划近年发射，加入其中。

（图8，位于智利的薇拉-鲁宾天文台，它将承担“时空档案巡天（LSST）”任务）

巡天技术的进步离不开精密光学仪器，航空航天，大数据存储和计算等科学技术的发展。和第三代相比，第四代巡天的视场会增大近十倍，覆盖超过一半的天空；深度也会增大好几倍。庞大的样本会给它们的数据精确度（presicion）带来质的飞跃，同时，信号和模型中残留的系统误差会变得更加显著。这就像打靶时手更稳了（精确度更高），但瞄准镜还是歪的（有残留的系统误差），那么子弹都会打到偏离靶心的同一位置，这样的话精确度越高，准确度（accuracy）反而越低。因此，下一代巡天对各个环节的系统误差纠正提出了更高的要求。

过去的二十年间，各大测光巡天项目在观测策略，数据处理方法，星系形状测定，红移校准，数值模拟，系统误差控制等方面积累的经验，为第四代巡天绘制了宝贵的蓝图。此外，第四代巡天多为大型项目（例如LSST的暗能量科学合作组织DESC已经有1000多名来自世界各地的成员），如何创造和谐而高效的合作与交流环境也成为了天文学家们面对的新课题。

S8冲突的出现，研究和解决，是人类在探索暗物质和暗能量过程中的一个重要插曲，也是人们孜孜不倦地追求科学的精确和准确性的一个缩影。可以期待，即使S8冲突尘埃落定，未来的观测数据仍会带来新的发现和疑难。在这样的期待的驱使下，相信将来我们会真正揭晓暗物质和暗能量的谜底，把人类对宇宙的认知带入一个新的时代。