近日，中國科學院紫金山天文臺與上海交通大學、中國科學院云南天文臺和中國科學院國家天文臺等單位的聯合研究團隊開展了中國空間站巡天空間望遠鏡(CSST)的無縫光譜紅移巡天能力的仿真模擬和評估研究工作，結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CSST無縫光譜巡天獲得可靠的紅移證認，并被運用于開展宇宙學研究。相關成果以CSST large-scale structure analysis pipeline: II. The CSST Emulator for Slitless Spectroscopy為題正式發表于天文期刊《皇家天文學會月刊》(Monthly Notices of the Royal Astronomical Society)。
 

　　CSST在星系宇宙學領域的主要科學目標之一是建立最大規模的星系紅移巡天樣本，驗證宇宙大尺度結構演化理論，探究暗物質與暗能量屬性。CSST無縫光譜巡天能夠無差別獲得CSST的寬天區內天體的無縫光譜，使得星系紅移證認效率最大化，進而精確測量宇宙的膨脹歷史和結構增長，從而獲得對暗能量和宇宙加速膨脹理論的嚴格限制。在預研究階段需要定量評估CSST的無縫光譜巡天的探測能力、選擇效應和研發相關科學數據分析軟件工具。
 

　　對基于光譜紅移巡天的宇宙大尺度結構測量，兩個關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計和系統誤差，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敏感地影響大尺度結構信號，尤其影響紅移畸變的測量，需要精確的修正。這兩個因素既依賴于具體的紅移測量軟件，也需要構建實測星系光譜、加入CSST觀測效應、嵌入宇宙大尺度結構框架的目標星系表來進行測試和優化。
 

　　研究團隊開發出一套CSST的無縫光譜仿真器軟件包CESS (CSST Emulator for Slitless Spectroscopy)，基于CSST無縫光譜巡天模塊的儀器參數和觀測效率，結合已有哈勃空間望遠鏡觀測獲得的小樣本星系結構分布經驗關系，能夠快速生成包含數億星系的超大樣本的CSST高精度一維仿真無縫光譜數據，用于分析光譜紅移巡天計劃的科學潛力、評估儀器效應的影響、確定星系特性與紅移測量誤差的依賴關系。CESS的流程圖和對單個星系的CSST無縫光譜觀測結果的仿真案例如圖1所示。CESS可以對輸入的星系樣本進行形態學參數的模擬和構建，并根據形態學參數將二維無縫光譜圖像按照色散方向和空間方向分解，快速模擬無縫光譜的噪聲，計算信噪比，抽取出仿真一維無縫光譜，并可以探測發射線信息并儲存下來用于后續的科學分析研究。
 

　　研究團隊使用DESI LS DR9的測光數據生成模擬紅移巡天星系源表，利用BayeSED生成對應的高分辨率星系光譜庫，再使用CESS得到對應的CSST仿真無縫光譜數據庫。對這一星系樣本包括138 348 981個z波段亮于21星等的星系，主要分布在紅移1以內。圖2展示了基于仿真無縫光譜測量紅移的統計結果表明，基于發射線證認或連續譜擬合獲得可靠紅移測量的星系比例約占到了總樣本的25%。對于CSST無縫光譜GU、GV和GI三個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可以到達5以上，GV波段其次，GU波段的信噪比最差。三個波段的平均信噪比隨紅移的變化如圖3所示。
 

　　該項工作是CSST大尺度結構數據處理管線中的重要組成，為整個CSST無縫光譜紅移巡天項目提供了高精度的CSST無縫光譜仿真觀測數據，為后續的紅移測量誤差分析等工作提供重要的支撐，為定量評估CSST無縫光譜巡天策略和科學潛力奠定基礎。
 

　　該工作的第一作者為紫金山天文臺博士研究生文潤，通訊作者為其合作導師鄭憲忠研究員。該工作得到了中國載人航天工程、國家重點研發計劃和國家自然科學基金等項目的資助。
 

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

　　圖2. 基于CSST無縫光譜獲得的可靠紅移測量統計結果。基于雙發射線、發射線+連續譜和連續譜三類可靠紅移測量統計表明，大約有四分之一的星系能有可靠的紅移測量數據。
 

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