测量宇宙，绘制星系图，寻找行星

为什么会膨胀呢宇宙加速，而不是被引力减慢星系而且暗物质？它的历史是什么银河系星系和恒星中的化学元素?为什么在其他恒星周围发现的行星系与我们的太阳系如此不同?这些问题是SDSS-III的主题，这是一个为期六年的四次大型天文调查项目，也是我去年在该研究所研究的焦点。

事实上，斯隆数字巡天(SDSS)一直是我在该研究所工作的四段时间里的一个主题，现在已经跨越了近20年。上世纪90年代初，作为一名长期博士后，我参与了SDSS的调查策略和软件系统的设计，当时这个项目还处于筹款、合作建设和硬件开发的早期阶段。当我在2001-02年以休假访问者的身份回来时，SDSS的观察终于开始了。我在那一年的重点是发展理论建模和统计分析我们后来将其应用于宇宙结构的SDSS地图，从可观测的星系集群中推断出不可见暗物质的集群。当我在2006年回来进行为期一届的访问时，该项目已经进入了一个新阶段SDSS-II我成为了一个合作项目的发言人，这个项目包括全球25个机构的300多名科学家。SDSS-II计划在2008年年中完成观测，那年秋天，我加入了一个七人委员会，他们在电话上花了无数个小时，整理了合作提出的许多想法，整理出了SDSS-III的计划。

SDSS使用一个专门的望远镜(位于新墨西哥州)，它有一个直径2.5米的镜子，大小与太空望远镜相似哈勃太空望远镜但比那些最大的地面望远镜(其镜面直径为8到10米)要小得多。SDSS的特别之处在于望远镜背面的异常强大的仪器。第一个是一台巨大的数码相机——它是当时世界上最大的——它拍摄了覆盖北半球一半以上天空的深彩色图像，探测到超过1亿个星系和2亿颗恒星。但是，要测量到星系的距离或恒星的速度和化学成分，人们必须通过棱镜散射光线，并识别出单个原子在光谱上蚀刻的精细特征，这种观测传统上是天文学家一次只对一个物体进行观测。SDSS通过将640根光纤插入30英寸铝板上精确钻孔的640个孔，将这种三维地图投入大规模生产，每个孔接收来自单个预先选定的星系、恒星或类星体的光。SDSS I和II经过8年的操作和2600多张底片，测量了近100万个星系、超过10万个类星体和50万颗恒星的光谱。

最大的SDSS-III调查(称为老板,重子振荡光谱测量)的目标是当代宇宙学最大的谜团:加速宇宙膨胀．而宇宙膨胀是80年前由埃德温·哈勃在此之前，人们普遍认为，由于宇宙中物质的万有引力，膨胀会随着时间的推移而放缓。然而，在20世纪90年代末，研究遥远超新星爆炸的天文学家发现，在过去的50亿年里，宇宙的膨胀一直在加速。要么是宇宙中弥漫着一种奇异的能量形式，这种能量产生排斥性的引力——也许是宇宙中的宇宙。真空能量，这是由量子力学在空白空间中的波动产生的——或者我们流行的引力理论本身在宇宙尺度上崩溃了，也许是因为引力“泄露”到我们日常经验中隐藏的额外空间维度。

BOSS将以前所未有的精度测试“真空能量”假设，使用一种依赖于星系和星系间物质聚集的微妙特征的新方法。这一特征，是“重子声振荡“在宇宙早期，有一个已知的物理尺度，在测量它的表观大小(例如，作为天空的角度)之后，人们可以使用简单的三角函数来推断数十亿光年之外的物体的距离。精确到1%或更好的测量需要测量巨大体积的宇宙结构，BOSS将通过绘制150万个发光星系的空间分布，以及沿着视线吸收15万个遥远类星体的气体来做到这一点。BOSS观测到的物体比原来的SDSS更微弱，因此它需要对光谱仪进行重大升级——更灵敏的探测器，更高效的光学元件，1000根光纤而不是640根——这些光纤于2009年秋季安装并投入使用。这项调查目前正在全速进行，并产生了第一个科学结果。然而，该系统非常复杂，因此通常每周仍会出现软件故障或硬件问题，从而产生一连串的电子邮件流量和电话讨论，在极少数情况下，仪器专家还会紧急前往新墨西哥州。

在离地球更近的地方，SDSS-III的两项巡天将绘制出我们自己的星系——银河系的结构和形成历史。SEGUE-2(其首字母缩写的历史太复杂，在这里无法一一讲述)主要关注外部星系，观测和理论表明，外部星系主要是通过星系自相残杀的行为建立起来的，银河系的引力拉伸并最终摧毁了坠落的卫星星系。SEGUE地图(来自SDSS-II和SDSS-III的结合)包含大约35万颗恒星，揭示了这些星系祖先的部分消化链。SEGUE测量的恒星运动也探测了暗物质“晕”的质量和形状，暗物质“晕”的引力将银河系聚集在一起。

内部星系被星际尘埃隐藏在我们的视野中，星际尘埃是漂浮在恒星之间的微小烟雾状颗粒，阻挡了可见光。远地点(阿帕奇点天文台星系演化实验)将使用一种创新的光谱仪绘制内部星系的地图，这种光谱仪可以测量穿过星际尘埃的红外光，几乎毫发无损。除了氢、氦和锂，宇宙中的所有原子都是在恒星中形成的，然后在恒星死亡时分散到周围的气体中。APOGEE光谱将允许对观测到的10万颗恒星中的每一颗分别测量12种化学元素——碳、氧、硅、硫、铁、钛等。因为在不同种类的恒星中，不同的元素是通过不同的核途径形成的，APOGEE的每一个化学“指纹”都将编码信息，不仅是关于被测量的恒星，而且是关于所有之前的恒星构成的信息。

在过去的15年里，天文学最大的发展之一就是发现了太阳系外的行星，其中大多数是通过它们围绕母恒星运行时引起的轻微摆动而发现的。迄今为止发现的许多行星系统与我们的行星系统非常不同，它们都有类似木星的大质量行星，在几个月甚至几天内围绕它们的母恒星运行，通常沿着细长的椭圆轨道运行，而不是太阳系中普遍存在的接近圆形的轨道。这些奇怪的现象表明，许多行星在诞生后会“迁移”，或者与它们的兄弟姐妹进行混乱的引力斗争。斯隆的调查将以其特有的方式，用大量的数据来解决这个问题，使用一种新型的光纤馈电仪器来监测总共1万颗恒星，这种仪器一次可以测量60颗恒星的微小运动(小到每秒几米)。奇迹(多目标APO径向速度大面积测量)希望能在近轨道上探测到1到200颗类木星行星，从而对木星的理论进行定量统计检验行星形成发现罕见的系统，可能揭示行星进化中关键的短暂阶段。

高等研究Bob的游戏院帮助启动了SDSS，在关键时刻提供了财政捐助，但在项目的整个生命周期中，它最重要的贡献是人类的贡献。多年来，许多研究所成员利用SDSS数据进行了惊人的科学研究，今天SDSS- iii顶级管理委员会的12名科学家中有4名是前IAS博士后。对于一个主要专注于理论研究的小机构来说，这是一个了不起的统计数据。它说明了当代天文学中理论家和观察者之间的密切互动——许多人跨越了曾经明确的界限——同样也说明了该研究所在激励其成员追求雄心勃勃的研究方面的成功，这些研究的回报可能在未来很多年。