Sunday, 26 June 2022

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     上海交通大学物理与天文学院景益鹏课题组近日在国际天文学权威杂志《The Astrophysical Journal》 上发表题为“Constructing the Emission-line Galaxy–Host Halo Connection through Auto and Cross Correlations”的论文,在发射线星系与暗物质晕的关联方面取得了重要进展。

      在中高红移处(z>0.6),[OII]发射线星系已经成为了当前星系红移巡天DESI和PFS的主要观测目标之一。为了能从发射线星系的成团性中提取到宇宙学信息,我们必须理解这类星系与其所在的暗物质晕之间的关系。这也是产生模拟星表的前提条件。

      考虑到发射线星系可能广泛地分布于不同质量的暗物质晕之中,仅用自相关函数来限制星系-暗晕关联是较为困难的。而对于按照恒星质量分类的普通星系,我们对它们的恒星-暗晕质量关系已经有了较好的理解。因此,研究团队主张利用发射线星系与普通星系的互相关来克服这一困难。

      利用VIPERS星系巡天的观测数据,研究团队测量了普通星系与发射线星系的自相关和互相关函数,并限制了普通星系的恒星-暗晕质量关系。根据这一关系和发射线星系在普通星系中所占的比例,研究团队利用丰度匹配的方法构建了发射线星系-暗晕关系模型。通过调节发射线星系中卫星星系的比例这一自由参量,该模型可以很好地重复实空间和红移空间中的相关函数。这一方法可以为当前的巡天产生发射线星系的模拟星表。

      物理与天文学院博士生高鸿宇为该论文的第一作者,景益鹏教授为通讯作者,该研究工作得到了国家自然科学基金委(NO. 12133006, 11890691, 11621303)和111计划(NO. B20019)的资助,以及粒子物理、天体物理和宇宙学教育部重点实验室的支持。

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       在现有的宇宙学模型下,宇宙的结构是由暗物质的分布主导的,测量暗物质的分布,是了解宇宙的形成和演化的关键。由于暗物质不参与电磁相互作用,我们很难通过望远镜直接探测暗物质的空间分布。幸运的是,当光线经过暗物质晕周围时,在暗物质晕的引力作用下会发生弯折,造成背景星系形状和亮度的变化,这种效应被称为引力透镜效应。通过测量星系形状和亮度的变化,暗物质的分布可以被重构出来,引力透镜是当前测量暗物质的分布的重要探针。

       通过正在进行和将要开展的大型图像和光谱巡天(如:DESI,PFS,DES,HSC,LSST,CSST),引力透镜的信号可以被测量得非常精确。为了解释和应用这些引力透镜信号,我们需要同样精确的理论模型,常用的方法是在已有的暗物质N体模拟(N-body simulation)上做多平面的光线追踪模拟(ray-tracing simulation)。这涉及到两个关键的步骤,首先,从N体模拟中暗物质示踪粒子的分布重构暗物质的密度场,其次,通过得到的密度场快速又精确的解出光线的偏折角,这一步骤等价于解二维泊松方程(Poisson’s equation)。

       基于这两个步骤,景益鹏院士课题组发展了一套Particle-Particle-Particle Mesh (P3M)算法,给出了二维泊松方程的最优化的格林函数(optimized Green’s Function)以及重构暗物质密度场的软化策略。相比于传统的PM光线追踪模拟,P3M算法得到的任意两粒子间的力更加精确,平均误差小于千分之一;物质场的软化更加便捷,由改变力的形式代替了质量分配;不同密度区域的计算更加统一,一次计算同时保证了高密度区和低密度区的计算精度。另外,这一方法同时适用于微引力透镜、弱引力透镜和强引力透镜,为正在进行和将要开展的大型巡天项目提供了很好的工具。

       该成果发表在国际著名天文学期刊《The Astrophysical Journal》上,上海交通大学博士生徐坤为第一作者,景益鹏教授为通讯作者,该研究工作得到了国家自然科学基金委(NO. 11533006, 11621303,11890691)和111计划(NO. B20019)的资助,以及粒子物理、天体物理和宇宙学教育部重点实验室的支持。