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。

       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。

       按照星系的形状，哈勃将星系分为椭圆星系和漩涡星系。天文观测表明，椭圆星系呈（椭）球状，一般停止了恒星形成活动，恒星年龄较老，颜色较红；漩涡星系呈盘状，大多数还在继续形成恒星，恒星年龄较小，颜色较蓝。

       现有的星系形成模型很好的解释了这一现象。首先，形成于暴涨时期(inflation)的宇宙初始量子扰动，在引力不稳定性的作用下，逐渐增长，形成了现在的宇宙网络。在宇宙网络物质密度的峰值处形成的由暗物质主导的自引力(self-gravitation)系统被称作暗物质晕(dark matter halo)。暗物质晕的增长是等级成团的，大的暗物质晕会吸积小的暗物质晕及其气体。当气体被吸积到暗物质晕中，会被激波(shock)加热，通过辐射能量，这些气体会慢慢冷却并旋入暗物质晕的中心，形成漩涡(盘)星系。随着暗物质晕的增长，周围的其他星系会被吸积到暗物质晕中变成卫星星系，在动力学摩擦(dynamical friction)的作用下，一些卫星星系，尤其是较大质量的卫星星系，会和中央星系发生并和。中央漩涡星系和较大质量卫星星系的并和会显著的改变星系的结构，形成一个椭圆星系或带有显著核球的漩涡星系。观测表明，星系中心超大质量黑洞(super-massive black hole)的质量与核球质量紧密相关，因此，椭圆星系，特别是大质量星系，中心一般都有一个超大质量黑洞。超大质量黑洞的活动星系核反馈(AGN feedback)形成的能量流和物质流会加热和吹走星系周围的冷气体，抑制星系的恒星形成活动，使星系变红。因此，椭圆星系一般呈红色，盘星系呈蓝色。

       大质量的星系一般都处于较深的引力势阱中，它们会经历频繁的星系并和，无法维持盘状结构，所以观测到的大质量星系绝大多数都是红的椭圆星系，极少数生活在宇宙空洞中的大质量星系，较少经历并和，还能维持盘状结构，持续形成恒星。

       因此，在现有的星系形成模型中，无法形成大质量的红色盘星系，已知的物理机制无法让大质量盘星系停止恒星形成活动。近期，上海交通大学天文系景益鹏院士课题组通过HSC、CLAUDS等深场巡天数据，发现了一个90亿光年外的恒星质量为430亿倍太阳质量的红盘中央星系，该星系的恒星质量约为银河系的10倍。

       研究团队通过u*-z波段颜色图像和星系的光谱确认该星系已经停止了恒星形成，通过拟合星系的z波段图像，发现其光度轮廓随半径呈e指数衰减，判断其为盘星系。

       该星系的发现极大的挑战了现有的星系形成模型，该成果作为封面文章发表在《SCIENCE CHINA Physics, Mechanics & Astronomy》，上海交通大学天文系博士生徐坤为第一作者，景益鹏教授和刘成则研究员为共同通讯作者，课题组计划对该星系进行进一步的观测和研究。

       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。