星系巡天中的线性红移畸变效应

在红移巡天中,由于星系本动速度的存在,星系的三维空间分布图像将会发生畸变,这种效应使得我们可以用动力学与统计方法,通过测量线性红移畸变因子来获取宇宙中大尺度上物质分布的信息。介绍了线性红移畸变效应的图像、理论,以及线性红移畸变因子β的测量方法和一些最新结果。

红移畸变效应理论模型研究进展

星系红移巡天中的红移畸变效应是指由星系本动速度引起的，观测到红移空间中星系成团性呈现各向异性的效应。它是很重要的宇宙学探针，能够帮助我们重构宇宙结构形成的历史，结合宇宙膨胀历史的研究，我们可以打破暗能量模型和修正引力模型的简便性，更精确地限制宇宙学参数。随着观测精度的提高，下一代星系红移巡天（DESI，Euclid，LSST等）有望将红移畸变效应测量的统计误差降低到1％左右，然而目前红移畸变模型普遍都还有5％-10％的系统误差，因此，红移畸变模型的精度已经成为这个领域发展的瓶颈。我们介绍了几个主流的红移畸变模型，重点讨论每个模型中采用的假设及其局限性，并提出进一步改进的方向。

星系红移巡天宇宙学——探索暗能量

宇宙时空的加速膨胀是20世纪自然科学最伟大的发现之一,探索其背后的物理机制是当前物理学和天文学的关键科学任务.在此研究领域,亟待解决的问题包括:(1)如何从海量观测数据中提取暗能量相关的核心信息?(2)暗能量是否具有动力学性质?(3)暗能量的本质是什么?暗能量研究的主要方法是联合多种探测手段,通过精准测量宇宙的膨胀率和结构形成来获取暗能量性质.大型星系红移巡天为暗能量研究提供了关键的数据支持.我们从巡天样本中提取重子声波振荡(baryon acoustic oscillations,BAO)和红移空间畸变(redshift space distortions,RSD)等重要的宇宙学探针,分别用于测量宇宙的膨胀率和结构增长率,开展暗能量研究.大型巡天项目斯隆数字巡天(Sloan Digital Sky Survey,SDSS)已成功获取了百万量级的高质量星系光谱,测绘了迄今为止最大的宇宙三维图像,并将宇宙距离测量精度提高到1%,在高精度暗能量检验中发挥至关重要的作用.本文主要介绍过去10年内国际上最大的星系红移巡天项目——SDSS三期的重子振荡光谱巡天(Baryon Oscillation Spectroscopic Survey,BOSS,2009~2014年)和四期的拓展重子振荡光谱巡天(extended Baryon Oscillation Spectroscopic Survey,eBOSS,2014~2019年),以及我们依托BOSS和e BOSS巡天开展暗能量研究方面的最新进展.

暗能量和加速膨胀的宇宙

1998年发现的宇宙加速膨胀是当代科学中最重大的课题之一.理论上,宇宙的加速膨胀可能意味着当前宇宙中约三分之二的能量密度是由一种新的能量组分,即暗能量所提供的也可能意味着爱因斯坦提出的广义相对论在宇宙学尺度上需要修正.暗能量和修正引力这两种完全不同的物理机制可以给出完全相同的宇宙背景膨胀历史,但却预言不同的结构形成过程.因此,我们可以通过观测宇宙的大尺度结构形成和演化来区分这两种不同的物理机制,揭示宇宙加速膨胀背后的物理规律.宇宙大尺度星系巡天是研究宇宙加速膨胀机制的重要探针之一.基于星系巡天,我们可以通过测量重子声波振荡(baryonic acoustic oscillations,BAO)和红移空间畸变(redshift space distortions,RSD)两种特殊的星系成团属性,同时测量宇宙的背景膨胀和结构形成历史,进而分别开展暗能量性质以及引力研究.SDSS(Sloan Digital Sky Survey)三期的BOSS(Baryonic Oscillation Spectroscopic Survey)巡天是近期完成的世界最大规模的星系巡天.通过对10000平方度左右天区的观测,BOSS获取了近一百万条星系光谱.基于BOSS的观测,我们对暗能量和引力性质开展了深入研究,并发现了暗能量的动力学迹象.目前正在巡天的e BOSS(extended Baryonic Oscillation Spectroscopic Survey)项目以及后续的DESI(Dark Energy Spectroscopic Instrument)和PFS(Prime Focus Spectrograph)等大型巡天将在更高的红移、以更高的精度测量BAO和RSD,这将为宇宙加速膨胀机制的研究提供关键的观测支持.