暗能量巡天Y6最终数据发布：基于元探测弱引力透镜形状星表揭示宇宙结构演化

《Monthly Notices of the Royal Astronomical Society》：Dark Energy Survey Year 6 Results: Cell-based Coadds and Metadetection Weak Lensing Shape Catalogue

为解决传统弱引力透镜测量中因图像叠加和天体混合导致的系统偏差，DES合作组利用Y6最终数据，开发了基于元探测（Metadetection）的弱引力透镜形状测量新方法。该研究构建了包含1.52亿个星系的高质量形状星表，有效星系数密度达8.22个/平方角分，形状噪声为0.29。通过图像模拟验证，该星表的乘性偏差被控制在0.34%±0.61%的水平，为未来LSST等第四代巡天项目奠定了坚实的技术基础。

　　

在宇宙学研究中，弱引力透镜效应如同一把精密的尺子，它通过测量遥远星系光线在穿过宇宙大尺度结构时发生的微小扭曲，来揭示宇宙中物质（包括暗物质）的分布和演化。然而，这把尺子的精度却受到诸多因素的干扰。从地球大气层的湍流，到望远镜光学系统的像差，再到探测器本身的物理特性，都会在观测图像中留下印记，使得我们看到的星系形状并非其“真容”。为了从这些“失真”的图像中提取出宇宙学信号，天文学家们必须像侦探一样，小心翼翼地剔除这些系统性的“污染”。

暗能量巡天（Dark Energy Survey, DES）作为一项旨在精确测量宇宙加速膨胀的宏伟计划，其核心科学目标之一便是利用弱引力透镜效应来约束宇宙学模型。随着DES进入第六年（Y6）并发布最终数据，一个关键的科学问题摆在了研究人员面前：如何构建一个比以往更纯净、更可靠的弱引力透镜星系形状星表，以最大限度地利用这些宝贵的数据，并应对未来更大型巡天（如LSST）的挑战？

由M. Yamamoto等人领导的DES合作组，在《皇家天文学会月刊》（Monthly Notices of the Royal Astronomical Society）上发表论文，给出了他们的答案。他们提出并实施了一套全新的数据处理与形状测量流程，最终发布了DES Y6元探测（Metadetection）弱引力透镜形状星表。这项研究不仅标志着DES弱引力透镜测量的最终成果，更是一次面向未来的技术预演，为即将到来的第四代巡天时代铺平了道路。

技术方法概述

为了构建高质量的弱引力透镜形状星表，研究人员采用了“两步走”的策略。首先，他们开发了一种全新的“基于单元的图像叠加”（cell-based coadding）算法，将整个DES巡天数据重新处理。该算法将天空划分为无数个约1角分见方的小区域（单元），在每个单元内，输入的单次曝光图像都没有边缘，从而避免了传统叠加方法中因图像边缘不连续导致的点扩散函数（PSF）模型不连续问题。其次，在叠加后的图像上，研究人员运行了“元探测”（Metadetection）弱引力透镜剪切估计算法。该算法通过人为地对整个图像施加微小的剪切，并比较剪切前后探测到的天体形状变化，来直接校准剪切测量中的乘性偏差（multiplicative bias），从而有效应对了天体混合（blending）和探测偏差（detection bias）等复杂效应。研究还利用DES Y6图像模拟套件对剪切测量管道的整体乘性偏差进行了估计，并进行了包括PSF泄漏、PSF建模误差以及剪切测量与星系、PSF和巡天性质相关性在内的一系列验证测试。

研究结果

1. 星表构建与基本性质

研究人员利用上述方法，对覆盖南天4422平方度天区的DES Y6成像数据进行了处理。最终构建的元探测弱引力透镜形状星表包含了151,922,791个在riz波段探测到的星系。该星表的有效星系数密度为n_eff= 8.22个/平方角分，形状噪声为σ_e= 0.29。与DES Y3星表相比，Y6星表的有效星系数密度增加了约12%，总剪切信息量显著提升。通过图像模拟，研究人员估计了剪切测量管道的整体乘性偏差，发现其在3σ不确定性水平下为m = (3.4 ± 6.1) × 10^-3，即没有检测到大约半百分之一水平的可探测乘性偏差。

2. 与PSF性质的相关性

为了检验星表的质量，研究人员首先检查了平均剪切与PSF模型大小和形状的依赖关系。理想情况下，这些关系应为零。研究发现，在e₁和e₂分量上，平均剪切与PSF形状的斜率分别为?e₁/?e_{1, PSF}= -0.0057 ± 0.0018和?e₂/?e_{2, PSF}= -0.0034 ± 0.0017。这些非零的斜率主要归因于与色差效应相关的PSF建模误差。当将星系样本按g-i颜色分成蓝、中、红三个子样本时，每个颜色样本中的斜率与Y3星表相比基本保持不变或更小，表明Y6星表在控制色差系统误差方面有所改进。

3. 由PSF泄漏和建模误差引起的加性偏差

研究人员进一步构建了一个PSF污染模型，以量化由PSF泄漏（即剪切估计器未能正确使用PSF模型）和PSF建模误差引起的加性偏差。该模型将观测到的星系形状分解为内禀形状、真实剪切信号、PSF的系统性贡献以及噪声。通过测量PSF形状自相关和PSF-星系形状互相关函数，并对模型系数进行约束，研究发现，代表PSF泄漏的α⁽²⁾和α⁽⁴⁾参数与零一致，表明在星系样本中没有发现PSF泄漏的证据。然而，在代表PSF建模误差的β和η类项中，检测到了非零效应。尽管如此，初步估计表明，当前水平的污染对宇宙学剪切两点相关函数的影响很小，对宇宙学参数S₈和Ω_m的偏移小于0.1σ。

4. 围绕恒星的切向和交叉分量剪切

为了探测PSF泄漏和建模误差，研究人员还测量了围绕暗星和亮星位置的切向和交叉分量剪切信号。对于亮星样本，切向剪切γ_t和交叉分量γ_x的约化χ²统计量分别为12.2/20和16.7/20；对于暗星样本，相应的统计量分别为21.3/20和17.3/20。这些结果均与零信号无显著偏差，表明在亮星和暗星周围均未发现剪切信号的显著影响。

5. 形状星表的系统性检验

研究人员对星表进行了一系列空值检验，以搜索未知的残余系统效应。这些检验包括：检查剪切在焦平面、基于单元的叠加图像和叠加瓦片坐标系中的变化；测量围绕基于单元的叠加中心、叠加瓦片中心和视场/曝光中心的切向和交叉分量剪切；以及测量B模式信号。结果显示，在焦平面和叠加图像坐标系中，剪切变化没有显著的模式；围绕各种中心的切向和交叉分量剪切与零信号一致；B模式功率谱与零一致，其χ²/dof = 24/30，p值为0.76。此外，剪切测量与大气质量、曝光时间、视宁度、天空亮度、差分色折射（DCR）、背景偏移、尘埃消光和恒星密度等巡天性质图之间的相关性也均与零一致。

结论与意义

本研究成功构建并验证了DES Y6元探测弱引力透镜形状星表。该星表是DES的最终发布版本，覆盖4422平方度天区，包含1.52亿个星系，其有效星系数密度和形状噪声均优于前代星表。通过图像模拟，研究人员将剪切测量管道的整体乘性偏差约束在0.34% ± 0.61%的水平，这一精度不仅满足了DES Y6宇宙学分析的需求，甚至达到了未来LSST第一年分析所要求的水平。

该研究的意义在于，它首次将基于单元的图像叠加和元探测算法同时应用于实际观测数据，并证明了其有效性。这一技术路线成功解决了传统弱引力透镜测量中因图像叠加和天体混合导致的系统偏差问题，为未来第四代巡天（如LSST）的弱引力透镜分析奠定了坚实的技术基础。DES Y6元探测星表的发布，不仅为DES最终宇宙学结果的发布提供了关键数据产品，也标志着弱引力透镜测量技术迈上了一个新的台阶，为更精确地探索宇宙的奥秘打开了新的大门。