暗能量光譜儀

暗能量光譜儀（The Dark Energy Spectroscopic Instrument，縮寫作DESI）是一部用於對遙遠星系進行光譜巡天的科學儀器。其核心組件包括安裝有5000個光纖定位機器人的焦平面，以及一組由光纖傳輸信號的光譜儀。該儀器致力於探索宇宙膨脹歷史並揭示暗能量的神秘物理機制。經過升級改造後，該儀器被安裝在位在海拔2100米高的基特峰頂的梅奧爾望遠鏡（Mayall Telescope）上，該觀測站坐落於美國亞利桑那州圖森市55英里（89公里）外的索諾蘭沙漠中。DESI的主要觀測工作於2021年5月正式啟動。

該儀器由美國勞倫斯伯克利國家實驗室負責運行，主要受美國能源部科學辦公室的資助。該儀器的建設資金主要來自美國能源部科學辦公室，並由包括美國國家科學基金會、英國科學技術設施委員會、法國替代能源和原子能委員會、墨西哥國家科學技術委員會、西班牙科學和創新部、戈登和貝蒂摩爾基金會、海辛-西蒙斯基金會等全球多家機構共同資助支持。中國的參與機構包括中國科學院國家天文台，北京大學和清華大學。

## 科學目標

所有宇宙學模型均需對宇宙的膨脹歷史和大尺度結構作出一定的預測，而DESI的觀測將推動科學家全面探索宇宙學的核心問題 ——包括暗能量、廣義相對論替代理論、中微子質量及早期宇宙演化。通過DESI數據構建的物質三維分布圖，將以史無前例的覆蓋廣度（橫跨數十億光年）及亞秒差距級精度，揭示宇宙結構的深層規律。此舉不僅有望闡明暗能量的物理機制，還將探索宇宙加速膨脹現象是否源於廣義相對論在宇觀尺度上的修正。作為人類探索物理定律邊界的關鍵項目，DESI或將破解暗能量與早期宇宙膨脹速率這兩個重大物理難題。

DESI將通過測量星系、類星體及星系際介質成團結構中留下的重子聲學振盪(BAO)信號，重構宇宙膨脹歷史。BAO技術是一種從物質和星系聚類中提取宇宙學距離資訊的穩健方法，基於對百萬秒差距級大尺度結構的觀測，可精準提取聲學峰特徵，有效規避系統性誤差干擾。2006年暗能量特別工作組報告將BAO確立為研究暗能量的核心方法之一。2014年5月，由美國能源部(DOE)和美國國家科學基金會(NSF)委託組建的聯邦諮詢委員會——高能物理顧問委員會正式批准了DESI項目。

## 宇宙的三維地圖

重子聲學振盪（BAO）方法需要基於大量宇宙學遙遠天體的方位角與紅移數據來構建遙遠星系和類星體的三維分布圖。通過獲取遙遠星系的光譜，科學家得以測定其光譜紅移值從而確定距離，由此繪製出宇宙三維地圖。這種大尺度宇宙結構的三維地圖不僅包含BAO資訊，更蘊含更多其他的暗能量線索，同時和中微子質量及主導早期宇宙演化的參數高度相關。自2021年5月15日啟動的五年巡天計劃中，DESI實驗預計將觀測3,500萬個星系與類星體。

## 發展

DESI儀器在梅耶爾望遠鏡上搭載了一套新一代多目標光纖光譜系統。其創新設計的光學校正器設計可提供8.0平方度的超大視場，併集成於總重約10噸的新型焦平面系統上。系統搭載5,000台精密光纖定位機器人，相鄰單元間距10.4毫米，支持在望遠鏡切換觀測區域時，於兩分鐘內完成全系統光纖重定位。該設備覆蓋360-980納米（近紫外至近紅外）光譜範圍，具備單次曝光獲取5,000條光譜的能力。DESI核心子系統包括：

- 大視場校正器及支撐結構
- 集成5,000台光纖定位機器人與10組導星/調焦/對準傳感器的焦平面陣列
- 總長40米的光纖束傳輸系統
- 十台三通道光譜儀
- 儀器控制系統
- 全自動數據處理管線

勞倫斯伯克利國家實驗室主導儀器研製工作，並協調由600餘名科研人員組成的國際合作團隊。該儀器的建設成本包括來自美國能源部科學辦公室的5600萬美元，以及來自其他非政府機構和個人資助（包括實物捐助）的1900萬美元。DESI目前領導層包括主任Michael E. Levi博士、合作聯合發言人Alexie Leauthaud教授和Will Percival教授、項目科學家David J. Schlegel博士和Julien Guy博士、項目經理Patrick Jelinsky博士、儀器科學家Klaus Honscheid教授和Constance Rockosi教授。過去的合作發言人包括丹尼爾·愛森斯坦教授、 Risa Wechsler教授、 Kyle Dawson教授和Nathalie_Palanque-Delabrouille博士。

美國能源部按重大項目管理流程分階段批准DESI項目：

- 2012年9月18日通過CD-0（任務需求評審）
- 2015年3月19日通過CD-1（方案選擇與成本評估）
- 2015年9月17日通過CD-2（性能基準確立）

基於美國國會2015財年《能源與水資源撥款法案》授權，DESI被列為新建重大科學裝置。新儀器的建造於2016年6月22日開始，獲得了CD-3（開始建造）的批准，於2019年基本完成組裝，並於 2020 年3月21日在疫情爆發前完成調試，標誌著該項目的正式完工（CD-4）。DESI的竣工成本低於預算190萬美元，並且比計劃提前 17個月完工，因此榮獲了2020年美國能源部項目管理卓越獎。在因疫情暫停並過渡到遠程操作後，DESI於2020年12月重啟觀測並完成最終驗證，2021年5月14日正式進入五年期主體觀測階段。儘管2022年夏季康特雷拉斯山火威脅基特峰天文台長達三個月，DESI仍保持設備完好並持續獲取科學數據。

## DESI遺產成像巡天

為了給DESI巡天提供源星表，三架望遠鏡——使用博克2.3米望遠鏡的北京-亞利桑那巡天計劃（BASS）、使用布蘭科 4 米望遠鏡的暗能量相機遺產調查（DECaLS）和使用梅亞爾4米望遠鏡的梅亞爾 z 波段遺產調查（MzLS）——對g、r 和 z 波段的北部和部分南部天空進行了聯合巡天觀測。上述巡天覆蓋面積為14,000平方度（約占全天的三分之一），且避開了銀河系。這些巡天觀測最終被整合為DESI遺產成像巡天（Legacy Surveys）。此次巡天的彩色圖像可以在 遺產巡天資料庫 中查看。這項遺留調查覆蓋了16,000平方度的夜空，包含16億個天體目標，包括110億年前的星系和類星體。

## 歷史

2012年12月，DESI項目正式立項，由美國勞倫斯伯克利國家實驗室擔任總負責單位。該實驗室的高級科學家麥可·萊維博士被任命為DESI的項目主管，全程領導項目建設。Henry Heetderks（2013-2016年），Robert Besuner（2016-2020年）先後擔任項目經理。經2015年美國國會批准，2016年6月美國能源部科學辦公室授權啟動實體建設。關鍵節點包括：2019年4月1日進行新型校正系統首次開光，2019年10月22日進行首次整機開光。該項目於2020年3月完成開光並投入使用，但因2020年疫情期間暫停。2021年5月14日，DESI正式開始為期5年的核心科學調查階段。儘管2022年遭遇康特雷拉斯山火威脅，該設備仍保持穩定運行。

- DESI安裝在基特峰國家天文台的尼古拉斯·U·梅耶爾4米望遠鏡上
- DESI焦平面的一部分
- DESI校正器的四個大鏡片之一

## 發布數據

所有公開數據（包括紅移星表、增值星表及文檔）均可通過DESI數據門戶訪問。擁有美國國家能源研究科學計算中心（NERSC）帳戶的使用者可獲取DESI全部公開數據。DESI星表同時支持資料庫格式查詢，為便於使用，公開資料庫副本已部署於NOIRLab天文數據實驗室科學平台，並可通過光譜分析與可檢索星表實驗室（SPARCL）進行訪問。在線查看DESI光譜的便捷方式之一是使用DESI遺產成像巡天（DESI Legacy Imaging Surveys）的遺產數據查看器。使用者需勾選"DESI光譜"選項框，點擊帶圓圈標記的星系或恆星，即可顯示跳轉至DESI光譜查看器的連結。在DESI光譜查看器中可對光譜進行詳細分析（參見外部連結里的索引|遺產巡天資料庫）。

### 早期數據發布

2023年6月13日，DESI進行了早期數據發布 (EDR)。EDR包含近兩百萬個星系、類星體和恆星的光譜。EDR的一項早期成果於2023年2月公布，描述了仙女座星系內大量恆星向中心移動的情況。EDR還發現了非常遙遠的類星體和金屬豐度極其低的恆星。

#### 可能正在演變的暗能量水平

截止2024年，從已觀察到的數據來看，目前最大的宇宙三維地圖已經繪製完成。根據這些精確的數據，DESI主任麥可·列維 (Michael Levi) 表示：我們還看到了一些可能有趣的（和現有模型間）偏差，這些偏差可能表明暗能量正在隨著時間的推移而演變。隨著數據的增加，這些偏差可能會消失，也可能不會，所以我們很高興能很快開始分析我們前三年獲得的數據集。

### 第一次正式數據發布 (DR1)

DESI於2025年3月19日進行了首次正式數據發布，包含1870萬個觀測對象。這些物體包括大約400萬顆恆星、1310萬個星系和160萬個類星體。海量數據分析顯示暗能量有隨時間演變的跡象。若這一結論成立，將標誌著近三十年來人類對宇宙認知的首次重大突破。雖然DESI觀測結果本身與ΛCDM模型相符，但結合此前對宇宙微波背景、超新星和弱引力透鏡的觀測數據，研究發現暗能量密度隨著時間的推移而降低。雖然信號沒有達到5個標準差的顯著性水平（處於2.8至4.2sigma區間），卻昭示著暗能量研究新紀元的開啟。例如，暗能量強度變化的物理機制並未明確，仍需研究。

## 基本資料

- 別名：DESI
- 位置：基特峰，亞利桑那，美國
- 坐標：31°57′51″N 111°36′00″W
- 高度：2100米
- 波長：360-980納米
- 網站：http://desi.lbl.gov/