宇宙大尺度结构形成和演化 - 粒子天体物理与宇宙学教育部重点实验室

宇宙大尺度结构形成和演化

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项目成果
活动

利用大规模数值模拟，研究宇宙大尺度结构的起源、形成、和演化的规律；利用大规模星系观测样本，测量宇宙学模型参量，检验引力理论，研究暗物质和暗能量的物理性质。具体包括：

（1）宇宙学红移畸变效应。① 运行多组 3000³及以上粒子数，~600-1600 Mpc/h 及以上模拟箱边长的 N 体数值模拟，精确理解物质密度场和速度场的非线性演化、暗晕和星系团性质的密度偏袒和速度偏袒及其对宇宙学模型的依赖。目前已完成一组 3000³粒子的模拟，并分析了多组 2000³粒子的模拟；② 结合暗晕占据数模型和星系形成半解析模型，从数值模拟中产生与星系巡天匹配的星系模拟样本，由此量化物质-星系非线性关系，理解可能造成的红移畸变宇宙学系统误差；③ 结合数值模拟和星系模拟样本，精确测量红移畸变模型的高阶修正项。

（2) 宇宙学弱引力透镜效应。弱引力透镜的测量存在三大系统误差：切变估计误差(shear estimation error)、星系内秉取向、测光红移误差。团组成员在这些方向提出了系列的创新性解决方案，后续工作包括：① 完善在傅立叶空间中测量弱引力透镜切变的方法，发掘星系亚结构中的形状信息，研究改进点扩散函数插值方法，进行实测数据分析。我们也将继续发展基于宇宙放大效应的弱引力透镜重构方法；② 结合观测以更好地测量星系内禀取向、检验内秉取向模型、应用星系内秉取向的自修正方法；③ 结合星系-星系关联函数和星系透镜关联函数，以自修正测光红移误差。

(3) 大尺度结构测量对暗物质分布、暗能量性质的限制。结合红移畸变、弱引力透镜等大尺度结构探针，能够打破暗能量和修改引力的简并，显著改善我们对宇宙加速膨胀机制的理解。但是，要充分实现这些宇宙学探针的潜力，我们首先需要从复杂、庞大的大尺度结构数据中压缩、提纯出可以与宇宙学理论直接比较的统计量，为广泛的宇宙学界和物理学界同行提供方便使用的关键数据点。我们还将通过这些数据探索基础宇宙学规律，包括广义相对论、暗能量、暗物质等等。

（4）大规模巡天的数据分析软件。我们已自主建立了红移畸变和弱引力透镜的数据处理流水线；分析了 SDSSDR10-11 数据，测量了红移畸变，重构了速度功率谱；从 CFHTLenS 原始星系图像测量了弱引力透镜切变，进行了初步统计分析。以后的工作计划包括：完善相关数据处理方法，应用到 PFS、HSC 等巡天中；实现速度功率谱的精确测量，限制暗能量；通过红移畸变测量不同星系/暗晕间的速度偏袒因子，在宇宙学尺度上检验等效原理；进行弱引力透镜数据的统计分析，测量弱引力透镜功率谱和其他统计量；结合重合天区的弱引力透镜观测，测量 EG 和 gravitational slip 等关键引力参数，检验广义相对论、区分暗能量和修改引力；开展与 CMB、星系团计数、Ia 型超新星、重子声波振荡、SZ 效应等的协同研究，结合修改引力、暗物质-暗能量相互作用、原初非高斯性、有质量中微子情况下的大尺度结构理论和参数拟合方法，实现暗物质、暗能量和引力性质等的精确测量。

（5）参与 PFS 第四代暗能量巡天项目国际合作。通过参与该国际合作项目，获得中等红移的大规模星系光谱红移巡天数据，利用自适应星系群构建方法构建星系群，精确测量中等红移处的三维功率谱，测量宇宙速度场等，开展对宇宙学结构演化、暗物质和暗能量性质的相关研究工作。