关于宇宙大尺度结构的速度场的统计研究

Properties of cosmic velocity field of large scale structures in the universe is capable of providing highly valuable information about physical cosmology and galaxy formation and evolution. We will employ large suites of data of numerical simulation, as well as theoretical modelling and staistical analysis of observational samples, to investigate velocity statistics at large scales of dark matter, dark halo and galaxies, aiming at finding new constraints on cosmological parameters. At small scales, our research will focus on velocity distribution functions inside dark halo of dark matter, sub-structure, baryon matter and galaxies, in attempt to probe dark matter properties through astronomical observation and improve semi-analystical models of galaxy formation and evolution.

本申请项目内容为研究宇宙速度场特性与理论，在速度空间里探索大尺度结构的形成与演化，分析暗物质、暗晕、星系的本动速度场的统计特性。在大尺度上利用理论、 数值模拟数据分析、观测样本统计分析搜寻速度场所包含的宇宙学信息，发展高效可靠的分析与测量方法。在小尺度主要考察暗晕内暗物质、子结构、重子物质和星系的速度分布情况，研究暗物质性质、气体物理过程对该速度分布的影响，以之为限制暗物质性质、改进星系形成与演化的半解析模型的相关工作提供新的线索。速度空间的大尺度结构研究为星系宇宙学前沿领域的热点方向，本项目的实施预期将取得系列有影响力的成果。

本项目对大尺度上的速度场进行了系统研究。发现暗物质的密度与动量散度场的互相关功率谱，可以利用已有的精确的密度功率谱公式，这对ISW效应探测与应用是非常有用的。给出了动量、动量散度、密度-动量散度功率谱的估计公式，包括离散噪声和aliasing效应的正式表达，发现利用三阶的BL样条函数可以精确改正aliasing效应，在0.7Nyquist频率下的精度可达0.5%。首次在理论上推导出定向流对动量场统计的带来的系统误差，证明定向流不仅影响离散噪声的消除，还会系统改变小尺度上的测量值；通过模拟样本的实测，指出对于可以精确确定速度的模拟样本，没有必要在实测中减去定向流；但是对于观测样本，由于速度测量的误差较大，需要考虑减去定向流的系统影响。测量了数值模拟样本的暗物质动量场的功率谱，发现：（1）单圈欧拉扰动理论带来的提高主要对高红移样本 （z>1），对于利用速度相关函数的应用，需要寻求更好的理论模型；但是对于kSZ效应和ISW效应的应用，由于主要涉及高红移样本，在目前的实际样本的测量精度下，单圈欧拉扰动理论足够适用。（2）在大尺度上k<~0.05h/Mpc，不同质量的暗晕的速度偏袒因子都非常接近1。本项目基于高精度暗物质数值模拟，发现现有星系形成半解析模型完全可以解释COSMOS发现的红移z=3.7的静态星系的存在，星系半解析形成模型所预言的极弥散星系的性质，与近邻宇宙的观测高符合。模型指出，极弥散星系是矮星系的一个正常分支，弥散的原因是形成时间较迟以及宿主暗晕的自转较快。采用SDSS 早型星系的MaNHA MPL5数据集，选取600个早型星系进行了分析，估计了星系内暗物质和重子物质的径向加速关系，比较具备不同转速的星系异同。发现快转子和慢转子的径向加速关系存在1sigma的差异，但是导致的物理机制尚需要进一步探索。