引力透镜放大效应的理论研究和直接测量

Weak lensing has been established as one of the most powerful probes of the dark universe. It is rich in physics and contains tremendous information on neutrino, dark matter, dark energy and the nature of gravity at cosmological scales. With respect to its cosmological applications, the most important and difficult problem is how to precisely measure the weak lensing. The most sophisticated and successful method so far is to measure the cosmic shear, lensing induced galaxy.shape distortion. However, weak lensing reconstruction through cosmic shear still suffers from practical difficulties associated with galaxy shape. An alternative method for weak lensing reconstruction is through cosmic magnification, the lensing induced fluctuation in galaxy number density. Since it does not involve galaxy shape measurement, it automatically avoids all potential problems associated with galaxy shape. However, a formdable task in weak lensing reconstruction through cosmic magnification is to reduce contamination caused by the galaxy intrinsic clustering, which is in general overwhelming and severely hampers the direct measurement of cosmic magnification. Our previous works proposed two methods to overcome this challenging problem. In this project, we will carry out further studies to test and improve these two theoretical methods,.and directly measure the cosmic magnification flowing three steps: (1) Further reducing the dominant systematic errors from potential sources in the weak lensing reconstruction through the cosmic magnfication. (2) Further tests and improvements of our proposals through using the mock catalog generated by simulations. (3) Application to observation data. The final aim is to successfully measure the weak lensing through the cosmic magnification.

弱引力透镜是公认的探测暗物质、暗能量和宇宙学尺度上引力特征的强有力工具之一。弱引力透镜信号的精确测量是弱引力透镜宇宙学的重点和难点。目前最成功的测量方法是测引力透镜引起的星系形变效应，但是该测量方法存在着严重的与星系形状测量有关的系统误差。宇宙放大效应提供了另外一种独立、互补的测量弱引力透镜的方法，可以避免星系形变效应测量中与星系形状测量有关的系统误差。然而，宇宙放大效应的直接测量因严重的星系内禀成团性噪音，直至目前仍未成功。我们之前的工作提出了消除星系内禀成团性噪音的理论方法。我们计划进一步完善和改进该理论方法：（1）理论上进一步去除/降低通过宇宙放大效应对引力透镜的测量中存在的主导性系统误差。（2）利用数值模拟产生的大样本星系表，对理论方法进行检测和进一步的改进。（3）将理论方法应用于观测数据处理中，最终希望实现宇宙放大效应的直接测量，从中测量到弱引力透镜信号。

精确测量是弱引力透镜宇宙学的重点和难点。目前最成弱引力透镜是公认的探测暗物质、暗能量和宇宙学尺度上引力特征的强有力工具之一。弱引力透镜信号的功的测量方法是测引力透镜引起的星系形变效应，但是该测量方法存在着严重的与星系形状测量有关的系统误差。宇宙放大效应提供了另外一种独立、互补的测量弱引力透镜的方法，可以避免星系形变效应测量中与星系形状测量有关的系统误差。然而，宇宙放大效应的直接测量因严重的星系内禀成团性噪音，直至目前仍未成功。我们之前的研究工作提出了消除星系内禀成团性噪音的理论方法。本项目在此基础上提出了称之为引力透镜信号的盲分离分析法（Analytical method of Blind Separation，简称ABS）。此方法同前面的工作一样仍然利用的是想测得透镜信号（宇宙放大效应）和比信号高二到三个量级的噪声污染（星系内禀成团性）对观测星系流量的不同依赖关系，在流量空间去分离两者。此方法优于前面方法的地方在于不需要于对星系内禀成团性和宇宙学做任何假设，在无限数目星系的极限情况下是完全无偏的。在现实情况下，由于有限的星系数密度，重构出的弱引力透镜信号精度依赖于巡天构建，星系偏袒因子，和其他一些复杂因素。我们估计了许多情况下重构的统计误差和系统误差，发现对于第四代暗能量巡天项目，例如SKA和LSST都有能力在尺度l<5000范围内，将z=1的星系弱引力透镜信号精确的重构出来。到更小的尺度，此方法将高估透镜信号并且精度迅速降低，直到l>7000，重构将变得不稳定。.我们进一步对ABS方法做了升级改进，称之为new-ABS。在原来的方法中，引入一个新的参数S，S=0时对应的就是前面的ABS 方法。利用new-ABS方法不但解决了重构过程中出现的不稳定问题而且提高了信号重构的精度。对于第四代暗能量巡天项目，例如SKA和LSST的预研究表明，可以将z=1的星系弱引力透镜信号测量达到1%的精度。我们将利用此模拟星系数据来检验new-ABS方法，为New-ABS应用于实际的第四代暗能量观测巡天项目数据做好准备。