利用微型引力透镜效应搜寻银河系中的暗物质

利用微型引力透镜效应搜寻银河系中的暗物质许梅在《银河系中的暗物质）一文（本刊１９９３年第６期）的最后一段曾提到，可以利用微型引力透镜效应来搜寻银晕中的木星状天体及褐矮星等小质量的暗物质。本文将向读者介绍近几年来这项观测难度极大的课题的进展概况和初步成...     

临界曲线附近的微引力透镜效应模拟

在光滑物质分布模型下,临界曲线是强引力透镜系统中像平面上一条放大率为无穷的线,而考虑少量离散质量的微透镜效应后,源平面上的放大率分布会出现复杂的结构,为暗物质成分的探测提供了一种有效途径.模拟临界曲线附近微透镜效应存在临界曲线上放大率无穷大和计算量巨大的困难.要达到所需的模拟精度,直接使用传统的光线追踪算法需要巨大的计算资源.为此发展了一个能实现海量计算的Graphics Processing Unit (GPU)并行方法来模拟临界曲线附近的微引力透镜效应.在型号为NVIDIA Tesla V100S PCIe 32 GB的GPU上,对于需要处理13000多个微透镜天体、发射1013量级光线的模拟,耗时在7000 s左右.在GPU并行的基础上,与直接的光线追踪算法相比,插值近似的引入使计算速度提升约两个数量级.利用该方法生成80个放大率分布图,并从中抽取800条光变曲线,进行了微焦散线数密度和峰值放大率的统计.     

重子物质对暗物质晕形状和角动量的影响

利用高精度大样本的冷暗物质($\Lambda$ cold dark matter, $\Lambda$CDM)宇宙学数值模拟的数据, 对重子物质如何影响暗物质晕的形状和角动量进行了研究.使用了3种数值模拟数据, 纯暗物质模拟、含辐射冷却、恒星形成和动力学超新星反馈的模拟, 包含活动星系核反馈效应的恒星形成模拟. 对这3种模拟, 还进行了不同红移处的比较. 主要结果如下.重子物理过程会改变暗物质晕的质量分布, 特别是有活动星系核反馈机制的情况下.比如, 活动星系核反馈会减少大质量暗物质晕的形成.随着宇宙的演化, 暗物质晕的空间形态逐渐由扁变圆. 重子物质的存在会加速暗物质晕形状的变化过程, 而且会使暗物质晕形状变得更圆. 但是活动星系核的反馈会对这一加速效应产生抑制.重子物质对暗物质晕的影响与暗物质晕的质量和半径都存在一定的依赖性.暗物质晕的质量越大, 它会呈现更扁的形态. 同时, 重子物质对任意质量的暗物质晕或暗物质晕在任意半径处的变圆均有一定的促进作用,尽管活动星系核反馈会抑制这一促进作用.特别是对于暗物质晕在0.2--0.6倍维里半径处的形状, 重子物质的影响尤为明显.此外, 重子物质的存在会对暗物质晕的角动量产生显著影响, 它会增大暗物质的角动量. 暗物质晕的自旋参数与质量无相关性, 但是与暗物质晕的半径存在一定的相关性.     

暗物质晕次结构的演化研究进展

一般认为暗晕是通过等级成团方式形成的:小质量暗晕先形成,进而通过并合形成较大质量的暗晕。并合后的小质量暗晕形成所谓的次结构,目前关于次结构的演化过程和分布特点尚无明确结论。介绍了利用数值模拟、半解析模型和观测来研究次结构分布和演化的进展,并特别讨论了次结构的并合时标、质量函数和空间分布等特性。     

基于Shapelets基函数的引力透镜质量重构方法

引力透镜效应是探测星系团物质分布的有效方法之一.目前,利用引力透镜数据重构星系团质量分布的主流方法可以分为两大类,即参数法和非参数法.在实际研究工作中,受限于质量模型假设和计算分辨率等方面的影响,现有的重构算法仍有诸多亟需解决的问题.基于Shapelets基函数的引力透镜质量重构方法通过基函数来实现引力透镜质量重构,使用Shapelets基函数分解引力透镜势,以引力透镜中多重像的位置和背景星系椭率畸变为限制条件来迭代求解基函数系数从而得到透镜体的质量分布.通过拟合一个模拟的NFW (Navarro,Frenk and White)透镜系统测试了新方法的可行性,结果表明新方法可以在整体上重构出透镜体的质量分布,并拟合出接近真实的源位置,能够为星系团质量测量提供一套灵活且高效的重构算法.     

基于伽马射线的类轴子粒子探测及暗物质子晕搜寻研究

目前已经有很多观测证据表明宇宙中存在着大量暗物质,其能量密度占据了目前宇宙总能量密度的1/4.根据高精度的数值模拟和引力透镜观测,我们已经对从矮星系到星系团中的暗物质空间分布有了较好的理解,但是对于暗物质究竟是什么我们还一无所知.由此,物理学家提出了很多假想的粒子模型.     

超新星爆发与暗晕中重子物质的丢失

讨论了在以冷暗物质为主的宇宙中,超新星爆发对矮星系演化的反馈作用,建立了星系的质量丢失模型,提出了理论模型与观测进行比较的方法。对数值计算结果的理论分析表明,当星系外围存在一个暗物质晕时,由超新星爆发引起的质量丢失虽然受到了极大的限制,却不像人们预期的那么困难。如果假定星系的形成红移为ｚ＝２￣８,那么,在所选取的参数范围内,理论计算和观测结果是相符合的。这种定性上的符合显示出,星系的质量越小,它们     

均匀三轴椭球晕中的非轴对称盘星系受到的扭矩

本用了一个均匀密度的三轴椭球晕，对沉浸在其中的非轴对称盘星系受到的扭矩作了一级近似计算。这个扭矩虽然量级很小，但对盘星系的角动量演化是一个长期的效应。     

星流的搜寻

在冷暗物质的宇宙学模型框架里,银河系(尤其是银晕)至少部分起源于对周围卫星星系的吸积。随着新技术和新设备的不断应用,大规模巡天项目的成功实施使天文学家获得了越来越多、越来越全面的关于银河系的数据。通过对这些数据进行分析,天文学家发现了很多星流的候选体,为银河系的等级并合理论提供了观测上的证据。随着对星流研究的扩大和深入,人们对银河系及其结构和起源的了解也越来越详细。介绍了搜寻星流的方法,以及基于这些方法获得的星流研究结果。     

小型星系中暗物质的特殊分布

暗物质是一种神秘的未知物质,占如今宇宙中所有物质的80%。如果引力是唯一驱动暗物质的力量,那么它应该会不停地向内聚集,直到在星系中心形成极端致密的区域。然而天文学家发现宇宙中的暗物质分布并不像计算机模拟的那样会成团聚集,尤其是在矮椭球星系中。由日本、德国、澳大利亚天文学家组成的研究小组提出暗物质处于某种能量状态时,会像分散的台球那样分布。这可能帮助科学家解释为何不同大小的星系形态不同。     

银河系卫星星系研究进展

对银河系内卫星星系进行全面的"人口普查"具有重要的意义。目前已经发现了二十几个卫星星系,其光度范围分布很广,最暗的矮星系比球状星体还暗。叙述了卫星星系的光度分布、空间分布和动力学性质。总结了观测和理论研究进展,并讨论了星流和伽玛射线在研究银河系结构和暗物质性质方面的贡献。表明了卫星星系的统计分布能用来很好地限制冷暗物质理论和星系形成的相关物理过程,同时指出当前研究的局限性和可能的发展方向。