1609 年，當世界上其他地方的人們還在利用眼睛來觀察星空的時候，此時的亞平寧半島，一位對星空一直充滿著興趣、名叫伽利略的意大利人，無意間將一個口徑只有 2 .5釐米的自制望遠鏡指向天空，看到了月球表面和木星的衛星，自此人類之前一直依靠肉眼探索宇宙的進程被徹底改變。在接下來的 400 多年中，望遠鏡的口徑越做越大，探測方式和手段也發生了巨大變化：從最初的光學波段擴展到了幾乎整個電磁波段，從電磁方式延伸到了宇宙粒子以至於新近的引力波，並且從地面走向了太空。正是這些探測方式的豐富性和探測手段的多樣性，使人類對於宇宙的認識在短短的幾百年中，尤其在過去的一個世紀中，發生了翻天覆地的變化。人類現在已經能夠跨越宇宙演化的長河，描繪出浩瀚宇宙演化的歷史：從早期宇宙的微小量子漲落經引力不穩定性放大，形成了今天宇宙多樣化的結構——從緻密黑洞到我們居住的銀河系（圖1）、從星系團到宇宙纖維狀的大尺度結構。藉助於最先進的地面和太空望遠鏡觀測和物理理論，我們對於天體物理學的研究已經步入到了精確宇宙學的時代。這意味著我們不再簡單地滿足於發現一些新的天文現象，而是更關注主宰我們宇宙演化的基本物質成分的物理本質和宇宙結構起源的眾多物理過程。而試圖理解眾多起源過程和它們的物理本質，正是宇宙結構起源——從銀河系的精細刻畫到深場宇宙專項的目標所在。
圖 1 從夏威夷莫納克亞山看到的銀河系
1 專項簡介
中科院戰略性先導科技專項（B 類）“宇宙結構起源——從銀河系的精細刻畫到深場宇宙的統計描述”於2014 年立項，專項依託於中科院國家天文臺，由中科院紫金山天文臺、上海天文臺、高能物理所、中國科技大學共同承擔。首席科學家為毛淑德研究員，另外包括 101 名科研骨幹，來自於國內 17 所科研單位及高校。
本專項緊密圍繞結構起源這一領域，瞄準當前尚未解決的重大問題，依託國內大科學裝置和特色設備，結合國際巡天計劃、高精度數值模擬，開展從銀河系、近鄰宇宙到深場宇宙多個尺度的前沿研究，探索暗物質、暗能量和重子物質這三大宇宙基本組分的屬性、本質和結構形成物理。專項以結構起源這一科學問題為中心，設置了與之緊密關聯的 4 個項目：從銀河系、近鄰星系到深場宇宙多尺度出發，利用多波段觀測、多種研究手段探索包括暗物質、暗能量本質的基本物理和結構形成的複雜天體物理過程，並探討結構形成中很不確定的一個關鍵物理過程（黑洞的吸積、反饋對星系形成和演化的影響），在提供觀測支撐的同時培育天文新興領域研究。
2 專項進展
本專項自 2014 年立項以來，建立和完善國內、國際觀測平臺，為專項的順利進行奠定基礎。專項整合國內天文界與相關學界的力量，以天文研究為基本點，與粒子物理等領域交叉，同時與數學、高技術領域緊密合作，開展先導科學和技術研究。通過本先導專項的實施，我們在科研方面取得了一些在國際上有顯示度的成果。
2.1 暗物質和暗能量基本物理
現代的天文觀測表明暗物質和暗能量的存在，但到目前為止，對於暗物質和暗能量的本質卻依然不知道，它們的本質問題屬於現代物理的兩個基本問題。
項目成員利用多種方法進行研究。通過國際合作，利用國際最大的星系巡天 BOSS 項目，在多個紅移處精確測定了重子聲波振盪信號，從而利用該測量結果重建了暗能量狀態方程隨時間的演化歷史。研究發現暗能量在 3.5 個標準偏差置信度上具有動力學演化的跡象，顯著高於早期結果（2.5 個標準偏差）。項目成員還與 eBOSS（BOSS 巡天項目的升級）國際合作組一起，完成了對該巡天的宇宙學預研究並發現 eBOSS 將有能力把暗能量狀態方程的品質因數提高 3 倍左右，首次在更高置信度上發現了暗能量動力學，並區分了兩種中微子質量的簡併模式（圖 2）。
暗物質候選者通常分為冷暗物質和溫暗物質兩大類。冷暗物質和溫暗物質模型在大尺度上預言類似結構的形成，但在小尺度溫暗物質模型預言的結構要少很多。項目成員利用高分辨率流體動力學模擬，深入研究了溫暗物質宇宙模型中銀河系尺度的星系形成。研究發現，長度為幾百萬個秒差距（Mpc）的光滑緻密細絲結構會在紅移 2 左右形成，並導致特殊的延展萊曼-限制系統的形成。而從觀測的角度而言，延展萊曼-限制系統的關聯函數的測量可以用來檢驗暗物質性質。此項研究對於目前和未來的星系巡天研究暗物質提供了新的觀測目標。
在紅移巡天宇宙學分析中，一個關鍵假設是暗物質暈的速度偏置是在大尺度上為 1，即暗物質暈和暗物質粒子的相對速度為零。然而，這種假設尚未通過數值模擬的驗證。實際上，這與大尺度結構形成的經典理論，即BBKS 理論相矛盾。 深入瞭解在不同尺度上暗物質暈的偏置可以幫助減少在星系巡天數據分析中的系統誤差，對於暗能量的研究至關重要。然而，精確測定暗暈的速度偏置難度非常大。我們開發了新的理論方法精確測量暗暈的速度偏置，並採用高分辨率 N 體數值模擬驗證了該方法的準確性。在國際上，這是首次利用數值模擬在 2% 的誤差範圍內測量暗暈的速度偏置。結果發現，在 3 億光年尺度以下，暗暈的速度偏置不為 1，與之前的關鍵假設不一致。所以這項研究工作對於大尺度星系光譜巡天的宇宙學研究具有十分重要的意義。
2.2 極端天體物理：黑洞、超新星發現和吸積物理
項目成員利用有償使用國外望遠鏡時間計劃（TAP）中的時域望遠鏡發現了迄今為止最亮的超新星ASASSN-15lh。該極亮超新星總輻射能量達到了 SLSN-I 流行供能機制磁中子星模型的上限，為揭開超亮超新星機制提供新線索（圖 3）。ASASSN-15lh 引起了天文學家們的強烈興趣，在被發現之後，世界上許多大型望遠鏡和美國 NASA 的“雨燕”X 射線太空望遠鏡馬上投入到了後續觀測之中。該發現結果已經在 Science 雜誌上發表。時至今日，世界各地相關研究者們依舊在從射電、光學、X 射線等諸多波段對這顆超新星進行持續觀測。
項目成員還利用中科院雲南天文臺麗江觀測站的 2.4 m 光學望遠鏡和國臺興隆觀測基地的 2.16 m 光學望遠鏡以及美國和澳大利亞的 3 臺望遠鏡，發現了 72 顆紅移 5 左右的非常明亮類星體和 3 顆紅移 5.7 以上的高紅移類星體。其中紅移 6.3、中心 120 億太陽質量的黑洞是迄今為止發現的質量最大的高紅移（z ＞6）黑洞。該成果發表於國際頂級科學期刊 Nature 雜誌上，受到國內外學者的廣泛關注。Nature 特地為此發現舉行了新聞發佈，並在同期雜誌的“新聞與評述”欄目中專門撰寫評論文章。
項目成員選擇了一批具有高吸積率的 AGN 和類星體（大約 30 個目標源）。利用麗江 2.4 m 望遠鏡對超愛丁頓吸積大質量黑洞樣本進行了長期光譜監測，發現這類源的性質十分特殊，初步揭示了其基本特點。
項目成員也在 M81 超軟 X 射線源 ULS-1中發現了其光譜中具有高度藍移的氫元素髮射線，揭示了該系統中存在速度達到 0.2 倍光速的相對論性重子噴流。 這是首次從超軟 X 射線源發現相對論性高速噴流，打破了天文學界以往的認知，揭示了黑洞吸積和噴流形成的新方式。該成果已在 Nature 上發表。
2.3 結構形成物理
LAMOST（也稱郭守敬望遠鏡，圖 4）目前已經得到約 700 萬條恆星光譜，這些光譜已成為世界上最大的恆星光譜庫。利用該數據庫，項目成員對恆星進行了類型證認和參數估計，在尋找和證認特殊恆星方面取得了一些成績。比如目前已通過 LAMOST 發現極端貧金屬星近 200 顆，佔國際上已發現總數的近 1/4。同時對銀河系暗暈的形狀和徑向分佈做出了測定。在銀盤的研究上重構了太陽附近徑向和切向速度分量分佈，從中發現一些新的子結構。項目成員還利用 LAMOST 恆星樣本獨立測定了當地的暗物質密度；現在精度約為 30%，後期還可以利用 LAMOST 更多數據進行進一步提高。
宇宙演化的數值模擬取決於合理的初始條件的選擇。項目成員自主發展了一套方法，用於再構造鄰近宇宙的初始條件。該方法已經成功運用於 SDSS 紅移巡天星系樣本，構造出近鄰宇宙的初始密度場，並運行一組 3 072³ 粒子，500 Mpc/h 的近鄰宇宙數值模擬。該模擬精確再現了真實宇宙在大尺度甚至小尺度上的物質結構（包括暗暈子結構以及吸積歷史）。這一模擬結果提供了一個有效的平臺，讓科研人員能夠之後開展系列工作，深入研究星系形成中的重子物理過程，最終對星系的形成物理提供強有力的限制。
MaNGA 是 SDSS-IV 巡天中的三大計劃之一，將提供世界上最多數量的、10 000 個星系的 IFU 數據。項目成員利用 SDSS-IV/MaNGA 試觀測數據研究了星系內部恆星形成歷史的二維分佈，發現質量大於銀河系的星系內部恆星形成活動的停止過程是從星系中央開始逐步向外圍發展的，而小質量星系沒有明顯的梯度，表明星系內各區域演化過程趨於同步。同時發現質量是主導參量。該文章是 SDSS-IV 首批發表的 3 篇科學論文之一，後續工作有望取得有高顯示度的成果。
2.4 領域貢獻與人才培養
專項立項 2 年多來，在天文觀測和高能天體物理等領域培養了幾支優秀的團隊，在中科院和高校間開展廣泛的合作，進一步增強了科研人員的凝聚力，相關成果為今後的長遠目標奠定了紮實的基礎和必要條件。
專項在原有基礎上，建立和完善國內、國際觀測網絡公共平臺--有償使用國外望遠鏡計劃（TAP，圖 5），該平臺使中國天文學家能夠在多波段使用國際先進設備，拓寬了國內已有設備能力，與國內觀測設備有機結合，形成互補網絡，為建設自主設備及其運行準備人才，併為國際公開的望遠鏡競爭提供基礎和訓練。另外在設備建設和國際合作等方面也發揮積極的推動作用，為未來國際合作大設備（SKA，TMT）起到先導作用。本專項是國內天文領域宇宙結構形成和演化方向的重大項目，匯聚了中科院和高校在此研究方向的優勢力量。在相關重大科學問題的牽引下，中科院成立了中科院天文大科學研究中心，同時中國科學院大學成立了科教融合的天文與空間科學學院。本專項的部分骨幹成員在大科學中心和天文學院都起了關鍵作用，尤其是在天文學院中為相關教學、科研支撐和學生培養貢獻力量。
3 小結與展望
專項自2014 年立項以來，在暗物質-暗能量基本物理、極端天體物理和星系形成物理方面取得了若干高顯示度成果，提升了天文科學前沿研究的國際認知度；形成了優勢互補的國內外觀測平臺，為實現科學突破、培養下一代觀測人才作出了貢獻。2016 年 FAST 建成，DAMPE 暗物質衛星成功發射，HXMT 也即將於 2017 年發射，這些觀測設備為本專項在後兩年再上一個臺階提供了新的推動力；同時 LAMOST 和 SDSS-IV 大量巡天數據也為我國天文學家探索宇宙結構演化大展身手提供了國際舞臺。
專項雖然目前進展良好，但本專項涉及人員與其他專項相比，人員較多，涉及多個單位，同時吸納了約 15% 的高校人員，在管理上具有一定的挑戰性。專項正在加強專項推介和科普教育，進行少量人員調整，進一步凝聚課題，通過小型、高效討論會堅強內部合作，力爭形成在該領域有重要國際影響的卓越團隊。
（依託單位：中科院國家天文臺）
專家點評
“宇宙結構起源”戰略性先導科技專項所涉及到的大多數研究課題被國際同仁都認為是非常有趣的，這些課題同時也是地面和太空前沿設施主要項目的基礎。該項目成員已在一些領域作出了一些尖端的貢獻，儘管其他另外一些領域的發展在中國才剛剛開始。通過望遠鏡獲取計劃（TAP），該項目為提高中國的觀測天文到國際水平作出了重大貢獻。如果沒有機會使用世界上最好的儀器，這些進步將是不可能取得的。項目團隊的資深成員也在塑造中國天文學的未來，通過培訓年輕的科學家，讓他們參與領先的國際合作（理論和觀測），使他們有機會與那些推動世界天文學發展的學者接觸。
在其未來的計劃中，該項目最好能夠集中在高質量的國際參與的一些活動上，並適當降低主要影響本地和本國層面上一些項目的支持。
點評專家
西蒙 . 懷特 德國馬普天體物理任究所所長，英國皇家學會院士和美國國家科學院外籍院士，曾獲宇宙學最大獎 Gruber 獎、英國皇家天文學會金獎和美國天文學會 Helen B.Warner 獎等。提出了現代標準星系形成模型，是利用數值模擬探索宇宙結構起源的先驅和現代標準宇宙學模型奠基人之一。 共發表了近 500 篇學術論文，有逾 8 萬次的引用,是世界上他引最高的天文學家之一。
專家點評
宇宙起源是自然科學的基本問題，長期以來，世界天文強國紛紛將該方向定為戰略性支持方向，並投入了大量的科研資源。“宇宙結構起源”戰略性先導科技專項緊密圍繞結構起源這一方向，瞄準當前尚未解決的重大問題，依託國內大科學裝置和特色設備，結合國際巡天計劃、高精度數值模擬，開展了從銀河系、近鄰宇宙到深場宇宙多個尺度的前沿研究，探索暗物質、暗能量和重子物質這三大宇宙基本組分的屬性及其本質。專項匯聚了國內院校頂尖人才，立項以來取得了多項重要成果，在國際頂級刊物發表了一批高水平文章，在若干方向取得了顯著進展。專項還針對國內天文設備的現狀，建立和發展了基於國外望遠鏡的觀測網（TAP），在培養使用大型望遠鏡的觀測人才和取得科學方面發揮了重要作用。
點評專家
李惕碚 中科院院士，高能天體物理學家，中科院高能物理所研究員、清華大學教授，在高能物理和天體物理兩個學科及其交叉領域作出了重要貢獻，研究涉及實驗觀測、數據分析和理論模型研究三方面都有工作經驗和重要成果，是硬 X 射線調製望遠鏡的項目首席科學家，該望遠鏡將於 2017 年發射。
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