基于下一代星系巡天的星系团宇宙学研究

As an extremely sensitive probe of structure growth in the Universe, galaxy clusters are one of the main cosmological tools for the next generation of galaxy surveys. However, traditional cluster cosmology overly relies on cluster number counts, and accurate methods for cluster mass measurement are still lacking, therefore severely limiting the scientific capabilities of future surveys. We plan to develop a cluster cosmology method that will combine the constraining powers of cluster abundance, cluster weak lensing, and redshift-space distortion due to galaxy infall. We will develop machine learning algorithms to detect clusters from photometric surveys, and self-calibrate the lensing mass of clusters while constraining cosmology. Additionally, we will measure the dynamic mass of clusters using the galaxy infall kinematics (GIK) method. By comparing the dynamic and lensing mass of clusters, we will be able to detect any potential discrepancies between the two masses, which can be used to distinguish dark energy and theories of modified gravity on cosmological scales. This program will maximize the cosmological output from galaxy clusters observed by future surveys, therefore providing important clues to solving the mystery of cosmic acceleration.

作为研究宇宙结构形成的敏锐探针，星系团是下一代星系巡天项目的主要探测工具之一。然而，目前的星系团宇宙学仍过度依赖于简单的计数观测，且星系团的质量测量尚存在各种瓶颈问题，制约了未来大型巡天项目充分实现其科学目标的能力。本项目计划开发一套能有效结合星系团计数、星系团弱引力透镜，和星系内流红移畸变的宇宙学研究方法。该方法将利用机器学习技术从测光巡天中探测星系团，并能在精确限制宇宙学参数的同时实现星系团透镜质量的自校准。我们还将利用星系内流动力学(GIK)方法来精确测量星系团外部的动力学质量。通过比较该GIK方法和弱引力透镜的观测结果，将能探测到星系团动力学质量和透镜质量之间可能出现的偏差，从而在宇宙学尺度上严格区分暗能量和修正引力理论。本项目将最大化地提取下一代巡天中的星系团宇宙学信息，为未来解决宇宙加速膨胀之谜提供重要线索。

光学星系团宇宙学目前正处于一个巨大危机中，基于第三代测光巡天（尤其是Dark Energy Survey）的星系团宇宙学限制与微波背景辐射以及宇宙剪切、红移空间畸变等的结果有较大的偏差。与此同时，以暗能量光谱仪巡天（Dark Energy Spectroscopic Instrument; DESI）为代表的第四代光谱巡天已经开展，中国主导的空间站巡天望远镜项目CSST也即将升空。在此背景下，本项目的主要研究内容为：1）开发并完善一套描述星系团暗晕-观测量之间物理关联的精确模型，并和星系团的流体力学放大模拟做比较，从而无偏地描述未来CSST星系团的弱引力透镜信号和星系团-星系的红移空间互关联函数；2）创建并优化一套高精度的面向DESI巡天的星系仿真样本，该样本的暗晕占据模型（Halo Occupation Distribution; HOD）可以重现观测中对潮汐密度场和星系装配偏袒效应的依赖性。本项目对SDSS星系团的中央星系恒星质量、卫星星系丰度及光度函数、团内星光等进行了系统性的测量，发现1）星系团暗晕的紧致因子（concentration）对中央星系的质量有决定性的作用，且暗晕的核区大小也决定了中央星系在团内星光中的“势力范围”约为200kpc。在200kpc之外，团内星光的来源由卫星星系的潮汐剥离为主导；2）在固定暗晕质量的情况下，中央星系质量和卫星星系丰度呈强相关，即“星系团协同关系”（cluster conformity）。结合此协同关系与星系团的暗晕装配偏袒效应，我们可以建立一套精确描述星系团弱引力透镜信号的综合模型。另外，本项目通过对SDSS星系的成团性对“球对称过密度场”以及“潮汐各向异性场”的依赖性，严格测量了近邻宇宙中星系装配偏袒效应的强度，以及潮汐场对星系“熄灭”效应（quenching）的影响。我们发现星系HOD对这两种密度场的性质都依赖性较弱，在未来DESI星系的仿真建模中可以忽略不计。本项目对星系团观测量的精细刻画与近邻星系样本的HOD限制，为未来CSST和DESI限制暗能量和宇宙加速膨胀理论的星系内流动力学方法提供了重要的观测和理论基础。