MACS J 0025.4-1222和子弹头(1E0657-56)星系团中引力透镜观测结果的另类解释

MACS J 0025.4-1222和子弹头(1E0657-56)星系团是正在碰撞星系团的两个例子,在这两个例子中,通过x射线观测的星系团质量中心和通过引力透镜观测的星系团质量中心出现了明显的分离,流行的观点认为,这是暗物质存在的有力证据。本文从引力和光线微观作用机理上作了分析,认为“引力弯曲光线”和“引力透镜”现象是光线经过大质量发光星球旁边时,光线与大质量发光星球发出的光线“同频干扰”形成的。在天文观测中使用引力透镜原理,不能反映不发光星球和气体的质量,它只能反映发光星球的质量。因此在存在大量不发光气体的碰撞星系团中,引力透镜推测的质心(发光星球质心)与星系总质量的质心出现分离是合理的,本文认为星系的质心偏离与暗物质无关。

光线弯曲的同频互扰解释——碰撞星系团中不存在“引力透镜”推演出的暗物质

本文通过对光子与引力子的作用分析,提出了光子–光子散射(碰撞)和光线同频互扰可以弯曲光线的新解释,说明光线从大质量发光星球旁边经过时,其光线弯曲程度与星球发光亮度成正比,与该光线距离星球中心的距离平方成反比。本文分析了星系碰撞中的暗物质形成过程,认为星系碰撞中的暗物质应该是由“引力透镜”对星球(亮度)弯曲光线的弯曲程度计算不足形成的,星系碰撞中不存在暗物质。

基于Shapelets基函数的引力透镜质量重构方法

引力透镜效应是探测星系团物质分布的有效方法之一.目前,利用引力透镜数据重构星系团质量分布的主流方法可以分为两大类,即参数法和非参数法.在实际研究工作中,受限于质量模型假设和计算分辨率等方面的影响,现有的重构算法仍有诸多亟需解决的问题.基于Shapelets基函数的引力透镜质量重构方法通过基函数来实现引力透镜质量重构,使用Shapelets基函数分解引力透镜势,以引力透镜中多重像的位置和背景星系椭率畸变为限制条件来迭代求解基函数系数从而得到透镜体的质量分布.通过拟合一个模拟的NFW(Navarro,Frenk and White)透镜系统测试了新方法的可行性,结果表明新方法可以在整体上重构出透镜体的质量分布,并拟合出接近真实的源位置,能够为星系团质量测量提供一套灵活且高效的重构算法.

弱引力透镜的最优窗函数

Using the high-resolution simulation of weak lensing, optimal analyses for window functions in the presence of noise are presented. The results show that a compensated Gaussian filter with a width of 2.5 arc minutes optimizes the cosmological constraint, yielding ΔΩ m/Ω m≈10%.

临界曲线附近的微引力透镜效应模拟

在光滑物质分布模型下,临界曲线是强引力透镜系统中像平面上一条放大率为无穷的线,而考虑少量离散质量的微透镜效应后,源平面上的放大率分布会出现复杂的结构,为暗物质成分的探测提供了一种有效途径.模拟临界曲线附近微透镜效应存在临界曲线上放大率无穷大和计算量巨大的困难.要达到所需的模拟精度,直接使用传统的光线追踪算法需要巨大的计算资源.为此发展了一个能实现海量计算的Graphics Processing Unit(GPU)并行方法来模拟临界曲线附近的微引力透镜效应.在型号为NVIDIA Tesla V100S PCIe 32 GB的GPU上,对于需要处理13000多个微透镜天体、发射1013量级光线的模拟,耗时在7000 s左右.在GPU并行的基础上,与直接的光线追踪算法相比,插值近似的引入使计算速度提升约两个数量级.利用该方法生成80个放大率分布图,并从中抽取800条光变曲线,进行了微焦散线数密度和峰值放大率的统计.

(亚)毫米干涉阵观测的星系强引力透镜研究进展

近年来,强引力透镜的样本选择和研究从此前主要局限于光学-红外波段,拓展到毫米/亚毫米波段。目前大约有200个强引力透镜系统在毫米/亚毫米波段的广域河外观测中被发现。ALMA,NOEMA,SMA等射电干涉阵提供的高灵敏度、高分辨率的观测,结合强引力透镜放大作用,将高红移星系的研究带入一个新时代。主要从观测样本、建模方法、科学应用等方面介绍了当下(亚)毫米波段星系-星系强引力透镜的研究现状。

基于坐标变换的引力透镜模拟

光线在引力场中会发生偏折是广义相对论理论所预言的现象之一.而引力透镜效应则是指,当观测者与背景光源之间存在较大质量的前景天体时,大质量天体的引力场使背景光源发出光线的传播方向发生改变而导致的一系列观测效应,在天体物理、宇宙学等方向的研究中具有重要意义.本文主要介绍了基于坐标变换的引力透镜模拟,对于前景天体考虑了两种透镜模型,并推导了相应的透镜方程及光线偏折角表达式.然后对于同一类透镜模型下背景光源三种不同的表面亮度分布进行研究,通过计算机生成了相应的引力透镜成像结果.

渐近安全引力下的黑洞阴影和光环

重点讨论了薄盘吸积与渐近安全(asymptotically safe,AS)引力修正参数对黑洞阴影和光环的影响.对于薄盘吸积,黑洞的暗区就是黑洞的阴影,而明亮的光环则是由直接像、透镜环和光子环组成的.对于吸积盘辐射源比强度,考虑了3个不同辐射轮廓模型.对辐射起始于最内圆轨道的二阶衰减函数模型,直接像、透镜环和光子环可以明显区分.直接像对黑洞光环亮度贡献最大,透镜环对光环亮度贡献很小,而光子环的贡献几乎可以忽略,且对应观测强度的峰值随AS引力参数的增加而减小,即对应光环亮度随修正参数的增大而变暗.对于辐射起始于光子球半径的三阶衰减函数模型,透镜环和光子环叠加在直接像上,使观测强度出现新的极值.这一极值随AS引力修正参数的增加而增加,且使得黑洞光环的亮度更亮.对辐射起始于事件视界的反三角衰减函数模型,透镜环和光子环在直接像上的叠加范围更大,观测到的光环更宽,且AS引力参数值越小,透镜环和光子环越难区分,黑洞光环的亮度越大.总之,研究表明,黑洞阴影半径的大小随AS修正参数的增加而减小,对于不同的AS引力修正参数,辐射源光强度、尤其是观测强度的辐射轮廓存在显著差异,导致黑洞的阴影和亮环明显不同.

引力透镜和弱引力透镜的新方法

引力透镜是天体物理中最重要的工具和手段之一,在宇宙学暗物质、暗能量、大尺度上的引力和系外行星探测中都发挥着巨大的作用。首先介绍了引力透镜的基本理论和近似,其次给出了引力透镜的主要发展历史,然后介绍了不同于光线偏折角的引力透镜理论新视角。之后评述了宇宙学中的弱引力透镜研究概况,简要回顾了弱引力透镜测量的主流方法宇宙剪切及其观测进展和存在的问题。最后详细说明了弱引力透镜测量的新方法宇宙放大效应,并介绍了宇宙放大效应的理论研究最新进展,即得到了严格精确的互相关测量权重最优函数。

利用弱引力透镜效应的尖峰和尺度-尺度相关统计区分暗能量模型

为了研究不同宇宙学模型下弱引力透镜效应的性质,利用N-体模拟产生的数据,通过光线追踪技术,生成二维的κ样本.对应于不同的暗能量状态方程参数的模型,即w=-0.8,w=-1.0,w=-1.2,生成了3组样本.对于这些模型所生成的样本视场均为3°×3°,并假设所有作为背景源的星系都分布在z=1处的平面上.对这些κ场的样本均进行了尖峰统计和尺度-尺度相关的统计.对尖峰的统计结果显示,包含噪声的κ场中尖峰分布在不同模型下的差别还是存在的.噪声改变了中等幅值和小幅值的尖峰分布,而对高幅值的尖峰分布影响不大.同时降噪后κ场中高幅值尖峰分布的结果表明,降噪后不同模型间高幅值尖峰分布的差别还是非常明显的.对于尺度-尺度相关统计,分析了不同模型的尺度-尺度相关系数的累积概率分布函数,w=-1.2的模型与w=-0.8和w=-1.0的模型的差别能达到20%和30%.因此尺度-尺度相关的统计结合尖峰数目的统计,可以做为确定暗能量状态参数的一种新的手段.

弱引力透镜形变信号及其图像精确处理

弱引力透镜形变信号的测量需要精确的图像处理,因为信号本身非常弱,椭率变化大小只有千分之几的强度,是其星系本身的内禀椭率形状噪音的几百分之一,需要叠加至少约1000幅图像才能从星系图像中得到信号。此外,观测设备的光学效应、大气扰动和CCD的像素化效应(点扩散函数)是图像处理的首要系统误差。怎样改正点扩散函数(PSF)的系统误差是弱引力图像处理的第一步,也是最重要的一步。首先详细介绍了引力透镜的基础理论和弱引力透镜作为其分支领域的特点。其次,介绍了基于重高斯化和圆化卷积核方法的图像处理管线的建立,利用Mandelbaum等人的图像模拟软件,将COSMOS的高分辨率空间图像变成低分辨率地面SDSS图像。最后,检验结果表明,对于一个椭率约为0.05的可加PSF系统误差,经过修正后,只有10^(-4)量级的残余;而PSF的另一个可乘系统误差则修正到1%以下。

灾难性测光红移对重子声波振荡和弱引力透镜限制暗能量状态方程参数的影响

研究了存在灾难性测光红移误差时重子声波振荡(Baryon Acoustic Oscillations,BAO)和弱引力透镜(Weak Lensing,WL)的互补效应,以及灾难性测光红移误差对限制暗能量状态方程参数的影响。针对类大口径全天巡视望远镜(Large Synoptic Survey Telescope,LSST)的巡天项目,建构了在z-zph面左上角(UL)和右下角(BR)局域性分布的灾难性测光红移误差模型,并分别针对左上角和右下角的灾难性测光红移,利用费舍尔矩阵(Fisher Matrix)分别估计它们对重子声波振荡、弱引力透镜和联合重子声波振荡+弱引力透镜(BAO+WL)限制暗能量状态方程参数的影响。若拟合模型没有包括实际存在的灾难性测光红移误差,则左上角和右下角的灾难性测光红移造成的偏差并非总是同号的。重子声波振荡受灾难性测光红移误差的影响最小,对于总比例为Ft=0.02的灾难性测光红移,最大的影响也只是左上角和右下角两部分对w0造成的偏差,相对偏差约为30%。但在对弱引力透镜和联合重子声波振荡+弱引力透镜的影响上,通常都有几倍的偏差,因此灾难性测光红移误差的影响不可忽略。另外,关于弱引力透镜对w0的限制,左上角和右下角造成的偏差大小几乎相等,但符号相反,从而导致总体影响反而变得很小。当拟合模型包括灾难性测光红移误差在内后,虽然测光红移误差分布模型多了45个自由度,但在同样大小的训练集的情况下,重子声波振荡和弱引力透镜的互补效应仍然很强。在此条件下,暗能量状态方程参数的误差并没有太大的增加。特别是重子声波振荡的限制结果增加量少于1%。弱引力透镜对w0和wa的限制误差分别增加了14%左右(UL+BR)和6%左右(UL+BR),而联合重子声波振荡+弱引力透镜对w0和wa的限制误差都只增加5%左右(UL+BR)。

星系内禀指向对弱引力透镜剪切场信号污染的去除方法

星系的内禀指向(intrinsic alignment, IA)的关联性是弱引力透镜观测中剪切场信号的一个重要系统误差,人们在之前的弱引力透镜研究中已经提出了许多修正该误差的方法。从数据处理方面,人们可以剔除物理距离比较近的星系对,但是这种方法只能近似消除星系内禀指向自相关带来的污染项,并不能消除星系内禀指向与周围物质密度场的相关性,并且这种方法也会丢失很多星系的信息。而目前弱引力透镜观测中广泛使用的IA模型与实际的IA模型可能相差甚远,使用不同的IA模型得到的宇宙学参数会存在很大差别。虽然零调(nulling)技术不用假设IA模型,但是这种技术仅能消除星系内禀指向与周围物质密度场的相关性。另外,由于这种技术须对红移设置不同的权重,所以会失去IA对红移的依赖性。Zhang^[1, 2]提出的自修正方法,在不假设任何IA模型的情况下,利用多种观测量以及几个物理量之间的比例关系就能够把弱引力透镜中的IA信号很好地消除。此自修正方法可望广泛应用于即将开始的第四代弱引力透镜巡天中。

类星体-星系成协与微引力透镜效应

讨论了微引力透镜和宏引力透镜对类星体与星系成协的差别和联系．计算表明，在观测极限星等大于１８．５时，微引力透镜与宏引力透镜所给出的面密度超出因子一致，与微引力透镜是线性或非线性统计模型无关．

非尺度无关谱宇宙学模型的强引力透镜效应

在一个空间平坦具有非尺度无光谱的暗能量加暗物质宇宙学模型下(RSIΛCDM),计算了强引力透镜分离角的概率.结果表明,与标准的幂律谱指数的暗能量加暗物质宇宙学模型(PLΛCDM)相比,在小于4″的分离角尺度上,RSIΛCDM模型抑制了分离角的透镜概率.

引力透镜与类星体─星系(星系团)成协

综述了背景光源（类星体）与前方天体（星系、星系团等）成协的观测和统计事例．详尽叙述了与成协问题相关的引力透镜理论．全面介绍了对各种成协事例进行引力透镜理论解释的方法、研究现状及存在的问题．还给出了一种计算成协样品中面密度超出因子的改进方法．

宇宙中的引力透镜现象

本文评述了近十年来所发现的引力透镜事例及其理论解释,讨论了利用引力透镜现象研究宇宙大尺度结构,星系结构、类星体性质、暗物质性质及宇宙弦特性等一系列问题,展示了引力透镜效应这一活跃研究领域之全貌。

引力透镜类星体SDSS J1001+5027吸收线证认

基于斯隆数字化巡天(Sloan Digital Sky Survey,SDSS)第12期数据(data release 12,DR12)的光谱,分析引力透镜类星体SDSS J1001+5027的A, B两个像的光谱。两个像光谱的红移分别为1.84132±0.00024和1.84545±0.00012,透镜天体红移约为0.415。通过证认可靠的CⅣλλ1548, 1551或Mg Ⅱλλ2796, 2803窄吸收双线的方法,证认出A, B两个像的光谱中红移分别为1.60677±0.00012, 0.87140±0.00007和0.41455±0.00006的3个吸收系统。从3个吸收系统共证认出27条窄吸收线。测量27条窄吸收线的等值宽度,再通过分析、比较3个吸收系统在A, B两个像光谱中吸收线的数量及等值宽度的差异,给出了3个吸收系统在引力透镜类星体SDSS J1001+5027视线方向可能的分布示意图。

K_(ING)星系与类星体的引力透镜统计特性

本文以King模型去描述星系的引力透镜行为,把已知类星体作为光源,从统计上计算了引力透镜类星体对与其像间分离的关系。结果表明,星系的透镜行为不仅能解释全部透镜事例,而且可以揭示出星系的某些统计参数,如星系的最大质量、平均半径、平均核半径及质光比。宇宙中星系质量密度因子,Ω_g,亦可从中求得。

引力透镜效应与暗物质探测

引力透镜是广义相对论引申的强引力场中特殊的光学效应。20世纪80年代以来,天文观测发现了许多引力透镜效应的实例,包括"爱因斯坦环"。一些本来很难探测的非常遥远、非常暗弱的天体,幸亏引力透镜效应而进入当代天文学家的视野。"大爆炸"70万年以后,宇宙处于延续4～5亿年的"黑暗年代",物质大体呈均匀结构,没有任何自主发光的天体。星光灿烂的辉煌时期始于何时?引力透镜效应的观测给出了相关信息。被称为21世纪"两朵乌云"之一的暗物质,比所有人类已知物质的总量多4倍以上,不发出任何辐射,不可能被直观测到。引力透镜效应作为发现宇宙暗物质的探针,在寻找暗物质确实存在的直接证据和分析暗物质的空间分布方面作出了贡献。