基于LSST多波段观测的引力透镜时间延迟宇宙学研究

This project is to study the feasibility of probing the universe using time delay measurements among multiple images in strong gravitational lensing systems. Our discussion is based on the upcoming Large Synoptic Survey Telescope (LSST). We are going to simulate thousands of lensed quasar observations including multi-filter photometry and positions of the images. We will incorporate all the physical effects like microlensing, the observational effects like sampling, noise and systematic errors. The community is invited to do “blind analysis” and extract time delays and cosmological parameters. Utilizing the state-of-the-art algorithms, we can probe: 1) the precision and accuracy of time delay measurement; 2)The impact of observation conditions on the results,3) the impact of multi-filter observations and positions of the images 4)the power of constraining cosmological parameters. Thus, we can prove the time delay cosmology study in the future.

本项目将基于大型综合巡天望远镜（LSST）在十年期间的观测计划，详细探讨利用强引力透镜多像之间时间延迟测量来研究宇宙学的可行性。项目负责人的团队将模拟出数千个类星体-椭圆星系透镜系统的观测数据，包括多波段的光变曲线及像的相对位置等。模拟过程尽可能接近真实的LSST观测，考虑到了物理效应如星系中恒星运动造成的微引力透镜等，观测效应如取样、噪声、望远镜系统误差等。我们将邀请世界各地的天文学家进行“盲分析”，提取时间延迟及宇宙学参数。利用当前各种先进的算法得到的结果，我们可以了解：1）时间延迟测量的精确度和准确度；2）望远镜观测条件对结果的影响；3）多波段测光及像的位置的影响；4）宇宙学参数限制能力。由此可以为发展时间延迟宇宙学提供依据。

本项目详细地研究了引力透镜时间延迟宇宙学。研究分为四个部分：首先，我们基于LSST的观测策略进行了数据模拟，包括类星体、透镜体分布和多波段光变曲线。我们定量地研究了微引力透镜对时间延迟测量的影响，包括两个方面：1）对多波段光变曲线强度的调制；2）吸积盘倾斜和温度涨落特性导致微引力透镜带来额外的时间延迟。我们得到结论：哈勃常数能够在1%的精度内被测量，如果典型的微引力透镜时间延迟误差小于1天，那么这个测量同时也是准确的。其次，基于引力透镜可以测量时间延迟距离Dt和透镜体的角直径距离Dd，我们提出了几种利用LSST时间延迟透镜系统来检验标准模型的新方法：1）对比Dt和由超新星或引力波测得的光度距离来检验FLRW度规，进一步可以模型无关地测量宇宙曲率；2）对比Dd和引力波得到的光度距离，可以检验距离对偶关系和广义相对论，此方法可以排除宇宙不透明度的干扰； 3）我们提出时间延迟引力透镜系统可以测量类星体的距离，从而能够在高红移处检验标准模型。第三，我们提出了一种模型无关的哈勃常数测量方法-“逆距离阶梯”。我们一方面用Pantheon超新星数据，通过高斯过程回归，得到了相对距离-红移关系，即距离红移关系的形状。另一方面，透镜系统能够测量绝对距离，我们用4个H0LiCOW透镜得到的Dt来定标超新星，从而模型无关地给出哈勃常数值72.2±2.1km/s/Mpc。最后，我们发展了引力波的引力透镜理论，提出了利用透镜引力波可以测量引力波传播速度、哈勃常数和暗物质子结构。我们基于波动光学，探讨了利用微引力透镜效应来探测连续引力波的衍射干涉效应。