スローンデジタルスカイサーベイ

スローンデジタルスカイサーベイ

調査中に撮影された銀河NGC 5681
別名	持続可能な開発
座標	北緯32°46′50″ 西経105°49′14″ / 北緯32.7805° 西経105.82058° / 32.7805; -105.82058
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スローンデジタル スカイ サーベイ( SDSS)は、米国ニューメキシコ州アパッチ ポイント天文台にある専用の 2.5 メートル広角光学望遠鏡を使用した、大規模なマルチスペクトル画像および分光赤方偏移サーベイです。このプロジェクトは 2000 年に開始され、多額の資金を提供した アルフレッド P. スローン財団にちなんで名付けられました。

ワシントン大学とプリンストン大学のコンソーシアムが赤方偏移調査を行うために設立されました。1984年に天体物理学研究コンソーシアム（ARC）が設立され^[1]、ニューメキシコ州立大学とワシントン州立大学も参加してアパッチポイントでの活動を管理しました。1991年にスローン財団はARCに調査活動と作業を実行するための機器の建設のための資金を提供しました^{[2] 。}

SDSS は設計当時、斬新な計測機器とデータ削減および保存技術を組み合わせた先駆的なシステムであり、天文学の観測、発見、理論に大きな進歩をもたらしました。

SDSS プロジェクトは、実装された規模において画期的であった 2 つの機器とデータ処理パイプラインを中心に展開されました。

1. マルチフィルター/マルチアレイスキャンCCDカメラで高効率に空の画像調査を行い、
2. 調査で特定されたターゲットのスペクトルを一括して（一度に数百のオブジェクト）取得できるマルチオブジェクト/マルチファイバー分光器

新たな大きな課題は、望遠鏡と機器によって生成される膨大なデータ量をどのように処理するかでした。当時、一晩に数百ギガバイトの生データを処理するのは前例がなく、データ処理用のソフトウェアとストレージ システムを設計するには、元のハードウェアおよびエンジニアリング チームと同じくらい複雑な共同作業チームが必要でした。各イメージング実行から、オブジェクト カタログ、縮小画像、および関連ファイルが高度に自動化されたパイプラインで生成され、当時デジタルでクエリ可能な形式で入手可能な最大の天文オブジェクト カタログ (数十億のオブジェクト) が生成されました。各スペクトル実行では、何千もの 2 次元スペクトル画像を処理し、較正済みスペクトル (フラックス対波長) を自動的に抽出する必要がありました。

これらの目標を達成するまでに要した約 10 年間で、SDSS は SQL などの大規模なデータベース ストレージとアクセス技術の顕著な進歩に貢献し、この形式でデータを利用できるようにした最初の主要な天文学プロジェクトの 1 つとなりました。科学コミュニティと一般の人々に調査データ製品への幅広いインターネット アクセスを提供するモデルも、当時は比較的新しいものでした。

プロジェクトをめぐるコラボレーション モデルも複雑ではあったが、システムに専門知識をもたらす必要のある機関や個人が多数存在したことを考えると、成功していた。大学や財団が、管理パートナーの ARC とともに参加した。他の参加者には、コンピューター処理およびストレージ機能を提供するフェルミ国立加速器研究所(Fermilab) や、コンピューティング業界の同僚も含まれていた。

データ収集は2000年に始まりました。^[3]最終的な画像データリリース（DR9）は、約10億個の物体の測光観測により空の35％以上をカバーしています。一方、調査ではスペクトルの取得も続けており、これまでに400万個を超える物体のスペクトルを取得しています。主な銀河サンプルの赤方偏移の中央値はz = 0.1です。明るい赤色の銀河の赤方偏移はz = 0.7 まで 、クエーサーの赤方偏移はz = 5まであります。また、画像調査では、赤方偏移z = 6 を超えるクエーサーの検出にも取り組んでいます 。

2011年1月にリリースされたデータリリース8（DR8）^[4]には、SDSSイメージングカメラで撮影されたすべての測光観測が含まれており、天空の14,555平方度（全天の35％強）をカバーしています。2012年7月31日に公開されたデータリリース9（DR9）^{[5]には、800,000を超える新しいスペクトルを含む、}バリオン振動分光サーベイ（BOSS）の最初の結果が含まれています。新しいスペクトルのうち500,000以上は、70億年前の宇宙の物体（宇宙の年齢の約半分）のものです。^[6] 2013年7月31日に公開されたデータリリース10（DR10）^[7]には、以前のリリースのすべてのデータに加えて、天の川銀河の星の57,000を超える高解像度赤外線スペクトルを含む、APO銀河進化実験（APOGEE）の最初の結果が含まれています。 DR10 には、遠方宇宙の銀河とクエーサーの新しい BOSS スペクトルが 670,000 個以上含まれています。調査で公開されている画像は、1998 年から 2009 年の間に作成されたものです。

2020年7月、20年にわたる調査を経て、スローン・デジタル・スカイ・サーベイの天体物理学者たちは、これまでで最大かつ最も詳細な宇宙の3Dマップを公開し、宇宙の膨張の歴史における110億年の空白を埋め、宇宙の平面幾何学の理論を裏付け、さまざまな領域が異なる速度で膨張しているように見えることを裏付けるデータを提供した。^{[8] [9]}

SDSS は専用の 2.5 m 広角光学望遠鏡を使用しており、1998 年から 2009 年にかけては撮像モードと分光モードの両方で観測を行っていました。撮像カメラは 2009 年後半に廃止され、それ以降は望遠鏡は完全に分光モードで観測を行っています。

画像は、 5 つのフィルター ( u、g、r、i、z ) の光度測定システムを使用して撮影されました。これらの画像は処理されて、観測されたオブジェクトのリストと、点状に見えるか拡張されているか (銀河のように) や、CCDの明るさがさまざまな天文等級とどのように関連しているかなどのさまざまなパラメーターが生成されます。

SDSS望遠鏡は、画像観測のためにドリフトスキャン技術を使用しましたが、赤経、赤緯、追跡速度、および画像回転の振り付けされた変化により、望遠鏡が大円に沿って追跡し、空の小さな帯を連続的に記録できるようにしました。^[10]焦点面の星の画像はCCDチップに沿ってドリフトし、電荷は追跡望遠鏡のように固定されたままではなく、同じ速度で検出器に沿って電子的にシフトされます。（空が動いているときに望遠鏡を単に停止させる方法は、天の赤道上でのみ機能する可能性があります。これは、異なる赤緯の星が異なる見かけの速度で移動するためです）。この方法により、可能な限り広いフィールドで一貫した天体測定が可能になり、検出器の読み出しによるオーバーヘッドが最小限に抑えられます。欠点は、わずかな歪みの影響です。

望遠鏡の撮像カメラは30個のCCDチップで構成されており、各チップの解像度は2048 × 2048 ピクセルで、合計約1億2000万画素である。^[11]チップは6個ずつ5列に並んでいる。各列には異なる光学フィルターがあり、平均波長はそれぞれu 、 g 、 r 、 i 、 z で355.1 ( u )、 468.6 ( g )、 616.5 ( r )、 748.1 ( i )、 893.1 ( z ) nmで、典型的なシーイングではそれぞれu、g、r、i、zで22.0、 22.2、 22.2、 21.3、 20.5等級まで95%の完全性がある。^[12]フィルターはカメラ上でr、i、u、z、gの順に配置されている。ノイズを減らすために、カメラは液体窒素で 190ケルビン(約 -80 °C)まで冷却されます。   

注：色は近似値であり、sRGB表現の波長に基づいています。^[13]

これらの測光データを使用して、恒星、銀河、クエーサーも分光法の対象として選択されます。分光器は、アルミニウム板に開けられた穴に各ターゲット用の個別の光ファイバーを通して動作します。^[14]各穴は選択されたターゲット専用に配置されているため、スペクトルを取得するフィールドごとに固有のプレートが必要です。望遠鏡に取り付けられた元の分光器は、640 のスペクトルを同時に記録できましたが、SDSS  III 用に更新された分光器は、一度に 1000 のスペクトルを記録できます。毎晩、スペクトルを記録するために通常 6 〜 9 枚のプレートが使用されます。分光モードでは、望遠鏡は標準的な方法で空を追跡し、オブジェクトを対応するファイバーの先端に焦点を合わせ続けます。

毎晩、望遠鏡は約 200 GBのデータを生成します。  

2000 年から 2005 年にかけての運用の最初のフェーズでは、SDSS は 5 つの光学バンドパスで 8,000 平方度以上の空の画像を撮影し、その画像のうち 5,700 平方度から選択された銀河とクエーサーのスペクトルを取得しました。また、南銀河帽の 300 平方度の縞模様の画像を繰り返し (約 30 回のスキャン) 取得しました。

2005年、調査は新たな段階であるSDSS-IIに移行し、天の川銀河の構造と恒星の構成を調査する観測、SEGUE、および超新星Iaイベントを監視して遠方の物体までの距離を測定するスローン超新星サーベイが拡張されました。

スローン レガシー サーベイは、北銀河キャップの 7,500 平方度以上をカバーし、約 200 万個の天体と 80 万個以上の銀河および 10 万個のクエーサーのスペクトルのデータを取得しています。天体の位置と距離に関する情報により、ボイドやフィラメントを含む宇宙の大規模構造を初めて調査できるようになりました。これらのデータのほとんどは SDSS-I で取得されましたが、フットプリントのごく一部は SDSS-II で完了しました。^[16]

スローン銀河理解・探査エクステンションは、24万個の恒星（典型的な視線速度10km/s）のスペクトルを取得し、天の川銀河の詳細な3次元地図を作成しました。^{[17] SEGUEデータは、さまざまな銀河系内の恒星の年齢、構成、位相空間分布の証拠を提供し、}銀河の構造、形成、進化を理解するための重要な手がかりを提供します。

この調査の恒星スペクトル、画像データ、および派生パラメータカタログは、SDSSデータリリース7（DR7）の一部として公開されています。^[18]

2005年から2008年にかけて行われたSDSS超新星サーベイでは、天の赤道を中心とした幅2.5°の空の1つの縞模様を繰り返し撮影し、赤経20時間から赤経4時間までを撮影したため、南の銀河帽（ドラフト：銀河帽を参照）にあり、銀河の減光の影響を受けなかった。^[19]このプロジェクトでは、500を超えるIa型超新星が発見された。2007年末まで実行されたスーパーノヴァサーベイでは、Ia型超新星を探索した。このサーベイでは、変光天体と超新星を検出するために、300平方度の領域を迅速にスキャンした。2005年には130件の確認済みIa型超新星イベントが検出され、2006年にはさらに197件が検出された。 ^[20] 2014年には、10,258個の変光天体と一時的天体を含むさらに大規模なカタログが発表された。このうち4,607個は超新星であることが確認されているか、または超新星である可能性が高いため、これはこれまでに集められた超新星の最大の集合となっている。^[21]

2008年半ばにSDSS-IIIが開始されました。これは4つの別々の調査で構成されていました。^[22]

APO銀河進化実験（APOGEE）は、高解像度、高信号対雑音比の赤外線分光法を使用して、銀河系の内部を覆い隠す塵を貫通しました。 ^{[23] APOGEEは、}銀河のバルジ、バー、ディスク、ハローの全範囲にわたって10万個の赤色巨星を調査しました。これにより、高分光分解能（λ ≈ 1.6  μmでR ≈ 20,000）と高信号対雑音比（100：1）で観測された星の数が100倍以上増加しました。 ^[24]高解像度のスペクトルにより、約15個の元素の存在量が明らかになり、赤色巨星が形成されたガス雲の組成に関する情報が得られました。APOGEEは2011年から2014年にかけてデータを収集する予定で、最初のデータは2013年後半にSDSS DR10の一部として公開されました。^[25]

SDSS-IIIの重粒子振動分光サーベイ（BOSS）は、宇宙の膨張率を測定するために設計された。 [ ^26]このサーベイは、赤色の明るい銀河（LRG）とクエーサーの空間分布をマッピングして、それらの空間分布を決定し、初期宇宙における重粒子音響振動によって刻まれた特徴的なスケールを検出した。初期宇宙を伝播する音波は、池に広がる波紋のように、銀河同士の相対的な位置に特徴的なスケールを刻み込む。BOSSは宇宙のスケールを1パーセントの精度で測定したと発表され、2014年春に完了した。^[27]

マルチオブジェクトAPO視線速度系外惑星大面積サーベイ（MARVELS）は、数時間から2年にわたる公転周期を持つ巨大ガス惑星を検出するのに必要な精度とリズムで、11,000個の明るい恒星の視線速度を監視しました。この地上ドップラーサーベイ^[28]では、SDSS望遠鏡と新しいマルチオブジェクトドップラー機器を使用して視線速度を監視しました。^[28]

このプロジェクトの主な目的は、大規模で統計的に明確な巨大惑星のサンプルを生成することであった。数時間から2年の軌道周期を持ち、木星の0.5倍から10倍の質量を持つガス惑星を探した。18か月にわたって1つの星につき25～35回の観測を行い、合計11,000個の恒星を分析した。150～200個の新しい太陽系外惑星を検出することが期待され、極端な離心率を持つ惑星や「褐色矮星砂漠」の天体など、珍しい系を研究することができた。^{[28] [29]}

収集されたデータは、希少システムの理論的比較と発見のための統計サンプルとして使用されました。^[30]プロジェクトは2008年の秋に始まり、2014年の春まで続きました。^{[28] [31]}

オリジナルのスローン銀河理解・探査拡張計画（SEGUE-1）では、さまざまなスペクトルタイプの約24万個の恒星のスペクトルを取得しました。この成功を基に、SEGUE-2では、10～60kpcの距離から天の川銀河の原位置恒星ハローに焦点を当て、約12万個の恒星を分光観測しました 。SEGUE-2では、サンプルサイズがSEGUE-1の2倍になりました。^[32]

SEGUE-1 と SEGUE-2 を組み合わせることで、銀河のハローとディスクの複雑な運動学的および化学的基礎構造が明らかになり、銀河の形成と濃縮の歴史に関する重要な手がかりが得られました。特に、外側のハローは後期の集積イベントによって支配されていると予想されていました。SEGUE データは、恒星ハローの形成に関する既存のモデルを制限し、次世代の高解像度の銀河形成シミュレーションに情報を提供するのに役立ちます。さらに、SEGUE-1 と SEGUE-2 は、宇宙の星形成の最も初期の世代の化石である、化学的に原始的な希少な星を発見するのに役立つ可能性があります。

SDSSの第4世代（SDSS-IV、2014-2020年）は、精密な宇宙論的測定を宇宙史の重要な初期段階まで拡張し（eBOSS）、北半球と南半球の銀河の赤外線分光調査を拡大し（APOGEE-2）、スローン分光器を使用して初めて個々の銀河の空間分解地図を作成しています（MaNGA）。^[34]

天の川銀河の恒星調査。2 つの主要部分、APO の明るい時間を使用した北部調査と、 ラス カンパナスの 2.5 m デュポン望遠鏡を使用した南部調査で構成されています。

クエーサーと銀河の宇宙論的調査。変光天体 (TDSS) と X 線源 (SPIDERS) を調査するサブプログラムも含まれています。

MaNGA（アパッチポイント天文台における近傍銀河のマッピング）は、2014年から2020年春にかけて、約10,000個の近傍銀河の詳細な内部構造を調査しました。以前のSDSS調査では、銀河の中心からのスペクトルしか観測できませんでした。MaNGAは、六角形に束ねられた光ファイバーの2次元アレイを使用することで、空間分解分光法を使用して銀河内の領域の地図を作成し、視線速度や星形成領域などの構造をより深く分析することができました。^{[35] [36]}

ニューメキシコ州のアパッチポイント天文台は、2020年10月にSDSS-Vのデータ収集を開始しました。アパッチポイントは、2021年半ばまでにプラグプレート（星の光が透過するように手動で穴を開けたアルミニウム板）から小型の自動ロボットアームに改造される予定で、チリのラスカンパナス天文台も年内に改造される予定です。天の川マッパー調査では、600万個の星のスペクトルをターゲットにします。ブラックホールマッパー調査では、銀河をターゲットにして、その超大質量ブラックホールを間接的に分析します。ローカルボリュームマッパーでは、近くの銀河をターゲットにして、その星間ガスの雲を分析する予定です。^{[37] [38]}

この調査では、データをインターネット経由で公開しています。SkyServerは、基盤となるMicrosoft SQL Serverへのさまざまなインターフェイスを提供しています。スペクトルと画像の両方がこの方法で利用可能であり、インターフェイスは非常に使いやすいように作られているため、たとえば、座標を指定するだけで、SDSS データ リリースでカバーされている空のどの領域でもフルカラー画像を取得できます。データは、書面による許可なしに、非営利目的にのみ使用できます。SkyServer では、小学生からプロの天文学者まで、あらゆる人を対象としたさまざまなチュートリアルも提供しています。2013 年 7 月にリリースされた 10 番目の主要データ リリースである DR10 ^{[7] は}、さまざまな検索インターフェイスを介して画像、画像カタログ、スペクトル、赤方偏移を提供しています。

生データ（オブジェクトのデータベースに処理される前のデータ）も別のインターネット サーバーを通じて利用可能であり、 NASA World Windプログラムによる「フライスルー」として初めて体験されました。

Google EarthのSkyには、 SDSSのデータが利用可能な地域についてはSDSSのデータが含まれています。また、SDSS測光および分光レイヤー用のKMLプラグインもあり、 ^[39] Google Sky内からSkyServerデータに直接アクセスできます。

このデータは、3D ビジュアライザーを備えた Hayden Planetariumでも入手できます。

SDSS の Stripe 82領域のデータのリストも増え続けています。

マイクロソフトリサーチのテクニカルフェローであるジム・グレイがSkyServerプロジェクトに貢献したことを受けて、マイクロソフトのWorldWide TelescopeはSDSSやその他のデータソースを活用しています。^[40]

MilkyWay@home はSDSS のデータを使用して、天の川銀河の非常に正確な 3 次元モデルも作成しました。

SDSSのデータは、調査自体を説明した出版物とともに、天文学の幅広い分野の出版物で使用されています。SDSSのウェブサイトには、観測可能な宇宙の限界にある遠方のクエーサー、^[41] 、銀河の分布、銀河系の星の特性、宇宙の 暗黒物質や暗黒エネルギーなどの主題を網羅したこれらの出版物の完全なリストがあります。

データリリース9の公開に基づいて、巨大銀河と遠方のブラックホールの新しい3Dマップが2012年8月8日に公開されました。^[42]

• アン・K・フィンクバイナー。『壮大で大胆なこと：宇宙の驚くべき新地図が新たな発見の時代を告げる』（2010年）は、このプロジェクトのジャーナリズムの歴史である。

ウィキメディア・コモンズには、スローン・デジタル・スカイ・サーベイに関連するメディアがあります。

• 公式サイト

• NASA 天文写真集: スローン万里の長城: 知られている中で最大の建造物? (2007 年 11 月 7 日)
• NASA 天文学写真集: 宇宙を飛ぶ (2012 年 8 月 13 日)