弱引力透镜效应的精确测量与应用

Weak gravitational lensing has been widely accepted as a direct probe of the cosmic structure. It is one of the most important methods in current large scale galaxy surveys. However, the accuracy of weak lensing measurement is limited by a number of facts regarding the quality of astronomical images, resulting in downgraded scientific potentials of the large surveys. Therefore, the common goal of the weak lensing field is to find an accurate measurement method under general conditions. We are currently developing an accurate weak lensing measurement method in Fourier space. This method does not need assumptions on galaxy morphology distribution. It corrects for the PSF effect, the CCD pixelation effect, and the photon noise induced bias all in mathematically rigorous ways, with a speed that is more than 100 times faster than those of the model-fitting methods. It is therefore an ideal method for weak lensing measurement in large scale galaxy surveys. We will continue developing this method to firmly establish the image processing pipeline. We will apply the method to various astronomical images for the purpose of probing cosmic structure formation and testing theories of gravity on large scales.

弱引力透镜效应作为一种直接探测宇宙结构的方法已经被广泛接受。目前的大规模星系巡天项目都将其作为主要的探测手段之一。 然而，天文图像的各种成像因素限制了许多弱引力透镜测量方法的精确度，制约了大型巡天项目充分实现其科学目标的能力。所以，弱引力透镜精确测量方法的发展是目前国际上亟待解决的重要问题。我们目前正在开展一系列工作来确立一套在傅立叶空间中精确测量弱引力透镜信号的方法。该方法不需要假设星系的形态分布，对点扩散函数，CCD格点化，光子噪声等效应具备数学上严格的修正，且运行速度是目前许多常用的模型拟合类方法的100倍以上，是大规模星系巡天中弱引力透镜测量的理想工具。我们将基于前期工作继续完善该方法，确立整条弱引力透镜图象处理的程序管线，并应用于各类天文图象上，进而探究宇宙的结构演化以及引力理论在大尺度的正确性。

弱引力透镜效应作为一个直接且有效的探测宇宙结构演化的工具，是几乎所有大尺度星系巡天项目的核心内容之一。然而，其精确测量一直是非常困难的问题。我们的工作聚焦于弱引力透镜效应的精确测量和应用，着力解决一系列瓶颈性的技术问题。到目前为止，我们独立发展的Fourier_Quad 方法已经在点扩散函数的修正，背景噪声和泊松噪声的处理，像素大小的影响，高阶效应的影响，统计形式，等等关键问题上以数学上严格的方式给出了解决方案，形成了一套完全独立于国际同行的弱引力透镜精确测量方法。在这个项目中，我们完成了基于Fourier_Quad方法的弱透镜完整测量管线，可以在没有外界软件的参与下被应用到几乎原始的望远镜图像数据上以直接产生剪切信号的测量目录。我们解决了一系列高精度图像处理中的技术问题，包括：背景扣除、宇宙线甄别、图像缺陷鉴别、天体位置矫正、恒星/星系分离、点扩散函数重构、剪切信号测量、选择效应和几何边界效应的扣除、等等。该测量管线已经被成功应用于CFHTLenS和DECaLS巡天的数据处理上。针对点扩散函数重构以及剪切信号测量精度，我们也提出了新颖的基于图像数据本身的自洽性检验方法，并在CFHTLenS数据上成功实现。我们验证了在小于千分之五的信号范围内Fourier_Quad方法的系统误差在信号的百分之四之内，并且更高的精度验证已经在DECaLS数据上实现了。与国际同行的诸多方法相比较，我们的方法具有数学推导严格，精度高，不依赖模型假设，速度快等明显优势。其综合运行速度是目前普遍使用的模型拟合类方法的一百倍以上，是处理大规模星系巡天数据的利器。这也是目前该领域国内唯一自主研发的完整图像处理系统。在宇宙学应用方面，我们也提出了新颖的近乎无模型依赖的统计方法利用弱引力透镜测量来限制暗物质和暗能量的性质，包括一种新颖的方法通过宇宙低密度区域的弱透镜信号限制暗能量状态方程，以及一种可以克服爱丁顿偏差的暗晕质量函数测量方法。