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星系和宇宙

李成

过去十年来,我国天文学家利用国内外观测设备和数值模拟,在星系宇宙学各方面取得了大批研究成果,使我国在本领域的国际影响力持续增长。

我国天文学家在宇宙学理论模型、暗物质探测实验和宇宙学观测限制等方面都取得重要进展。理论方面,开展了宇宙起源模型(特别是反弹模型和暴胀模型)、多种暗能量模型、修改引力模型、原初黑洞和引力波的产生机制、宇宙早期相变、中微子宇宙学等理论研究。实验方面,建成了锦屏山地下实验室,启动基于液氙的Panda-X和基于高纯锗的CDEX两项暗物质直接探测实验,获得国际先进的暗物质模型参数限制;发射了“悟空”号卫星,测量具有高能量分辨率的宇宙线能谱并开展暗物质间接探测。观测限制方面,结合国内外多种天文观测数据(如Planck、BOSS和eBOSS等)和新兴的统计方法(如最优红移加权、多源天体交叉关联、切片Alcock-Paczynski方法、空洞统计、红移畸变的数值-理论混合建模、深度学习等),加强了对宇宙学模型的观测限制,尤其是在较高的置信水平发现暗能量的动力学迹象。建立了国内首个具有自主知识产权且处于国际领先水平的FourierQuad弱透镜测量管线,成功应用于CFHTLS和DESI等图像巡天。

我国天文学家完成了一系列具有国际领先地位的数值模拟。其中纯暗物质模拟包括“盘古”、“九天”、ELUCID、Cosmic Growth、Cosmic Zoom、“凤凰”和TianNu,首次精确测量了暗晕速度偏袒,定量计算出轴子暗物质对宇宙结构形成的影响,重构了近邻宇宙的真实物质分布和结构演化历史,在跨越21个量级的空间尺度上精确解析了暗晕内部物质分布,在星系团尺度上对暗物质湮灭信号给出精确预言,利用宇宙原初密度扰动重构暗晕和星系角动量并首次发现星系角动量与宇宙原初密度扰动的相关性。流体模拟方面,“NIHAO”项目通过国际合作完成了100个星系的高分辨率流体模拟,兼具大样本和高分辨的双重优点,系统地研究了矮星系到银河系尺度的星系形成过程。此外,基于巡天统计,建立了解析的条件质量函数演化模型,刻画了暗晕中星系的质量演化和恒星形成历史;结合数值模拟、星系巡天和Gaia观测数据,给出了银河系质量的最精确测量。

我国天文学家实施了多项中高红移星系和类星体巡天观测。其中宽场多色图像巡天“南银冠U波段巡天(SCUSS)”和“北京-亚利桑那巡天(BASS)”分别被国际光谱巡天项目SDSS-IV/eBOSS和DESI采用作为选源数据。“再电离时期莱曼-阿尔法星系巡天(LAGER)”探测到一批红移7左右的莱曼发射线星系(LAE),首次揭示了再电离的非均匀性,发现宇宙最遥远的原初星系团。与国际团队合作实施的“CFHT大天区U波段深场巡天(CLAUDS)”以及自主实施的红移 z =2.3的LAE和HAE窄带图像巡天,都为中高红移星系的探测和统计研究提供了第一手资料。此外,基于LAMOST等国内望远镜发现了大批红移5以上的极亮类星体和变脸类星体,发现了宇宙早期发光最亮、黑洞质量最大的类星体。

在低红移星系观测方面,我国天文学家全程深度参与了国际上最大规模的积分场光谱巡天SDSS-IV/MaNGA,领导了其中约三分之一的科学研究课题并取得了大批重要进展,包括:恒星初始质量函数的变化规律、恒星形成活动的熄灭规律、小质量和大质量星系的恒星形成历史、恒星尘埃消光的分布规律、星系各组分的动力学模型和暗物质比例、气体和恒星运动学的不一致现象、活动星系核的宿主特征、恒星形成与活动星系核和星系相互作用的关联等。同时,利用国内望远镜开展了一批近邻大星系的多缝光谱观测,结合国际积分场光谱数据开展了系列研究。

我国天文学家充分利用国内外观测设备,在星系气体、星系(周)际介质和活动星系核反馈等方面开展多波段观测研究。使用FAST望远镜和SKA探路望远镜ASKAP,首次对多个近邻星系团(群)获得连续的HI成图。基于星系气体的多波段观测提出了延展型恒星形成定律。利用Keck望远镜积分场光谱仪,在红移2发现一类巨型Lya星云并首次发现星系周气体的面亮度随红移存在演化。基于目前的X射线观测,首次指出银河系大尺度上热气体的存在;在星系M81中心黑洞周围探测到高温高速外流风,证实了理论预言的热吸积流;探测到活动星系核kpc尺度的延展铁线发射及其与星系尺度的冷气体成协。利用类星体光变的新方法,首次针对活动星系核所驱动的高速气体外流开展大样本统计分析。

此外,我国天文学家还从中等质量黑洞和黑洞潮汐瓦解事件的搜寻、高红移黑洞-星系质量关系、黑洞吸积盘高速内流、宽吸收线类星体外流速度轮廓、解析宇宙X射线背景辐射等多个角度研究黑洞与星系的内在关系及其宇宙学意义。

展望未来,我国已建成运行FAST望远镜,正在研制阿里宇宙微波背景辐射极化望远镜(AliCPT)、空间站巡天望远镜(CSST)、LAMOST-II望远镜、中国科学技术大学-紫金山天文台2.5米大视场巡天望远镜(WFST)、清华大学宇宙热重子巡天望远镜(HUBS)和大视场多目标巡天望远镜(MUST)等观测设备,中国参与的国际合作项目DESI、PFS、SKA等也正在或即将付诸实施,我国的星系宇宙学研究领域必将在下一个十年取得更大的发展。 T4YMPcFLNkxB8WNDFzpSyVl2ClNXkLEOwycCG3zf97nZL+5fCJM5Ox0ewOH5guIr

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