中國空間站巡天空間望遠鏡無縫光譜紅移巡天仿真模擬研究獲進展

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，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。該研究發現約有四分之一的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，并可被運用于宇宙學研究。相關研究成果以CSST large-scale structure analysis pipeline: II. The CSST Emulator for Slitless Spectroscopy為題，發表在《皇家天文學會月刊》（MNRAS）上。

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，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。預研究階段需要定量評估CSST的無縫光譜巡天的探測能力和選擇效應，以及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與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；后者隨徑向和橫向變化的完備度會敏感地影響大尺度結構信號尤其影響紅移畸變的測量，且需要精確修正。這兩個因素依賴于具體的紅移測量軟件，又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。

該研究開發出一套CSST的無縫光譜仿真器軟件包CESS。CESS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。

該團隊使用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，進而使用CESS得到對應的CSST仿真無縫光譜數據庫。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。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，樣本中低紅移星系的GI波段信噪比的中位數可達5以上，GV波段次之，GU波段的信噪比最差。

上述研究是CSST大尺度結構數據處理管線中的組成部分，為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了支撐，并為定量評估CSST無縫光譜巡天策略和科學潛力奠定了基礎。