引力透镜的基本原理及最新研究进展

介绍了引力透镜的基本原理，并针对不同情况，结合目前的观测结果对强透镜、弱透镜和微透镜分别作了系统的说明；特别阐述了近年来正在兴起的宇宙剪切的观测和理论研究，总结了引力透镜在宇宙学研究中的重要意义。     

星系内禀指向对弱引力透镜剪切场信号污染的去除方法

星系的内禀指向(intrinsic alignment, IA)的关联性是弱引力透镜观测中剪切场信号的一个重要系统误差,人们在之前的弱引力透镜研究中已经提出了许多修正该误差的方法。从数据处理方面,人们可以剔除物理距离比较近的星系对,但是这种方法只能近似消除星系内禀指向自相关带来的污染项,并不能消除星系内禀指向与周围物质密度场的相关性,并且这种方法也会丢失很多星系的信息。而目前弱引力透镜观测中广泛使用的IA模型与实际的IA模型可能相差甚远,使用不同的IA模型得到的宇宙学参数会存在很大差别。虽然零调(nulling)技术不用假设IA模型,但是这种技术仅能消除星系内禀指向与周围物质密度场的相关性。另外,由于这种技术须对红移设置不同的权重,所以会失去IA对红移的依赖性。Zhang^[1, 2]提出的自修正方法,在不假设任何IA模型的情况下,利用多种观测量以及几个物理量之间的比例关系就能够把弱引力透镜中的IA信号很好地消除。此自修正方法可望广泛应用于即将开始的第四代弱引力透镜巡天中。     

弱引力透镜形变信号及其图像精确处理

弱引力透镜形变信号的测量需要精确的图像处理,因为信号本身非常弱,椭率变化大小只有千分之几的强度,是其星系本身的内禀椭率形状噪音的几百分之一,需要叠加至少约1000幅图像才能从星系图像中得到信号。此外,观测设备的光学效应、大气扰动和CCD的像素化效应(点扩散函数)是图像处理的首要系统误差。怎样改正点扩散函数(PSF)的系统误差是弱引力图像处理的第一步,也是最重要的一步。首先详细介绍了引力透镜的基础理论和弱引力透镜作为其分支领域的特点。其次,介绍了基于重高斯化和圆化卷积核方法的图像处理管线的建立,利用Mandelbaum等人的图像模拟软件,将COSMOS的高分辨率空间图像变成低分辨率地面SDSS图像。最后,检验结果表明,对于一个椭率约为0.05的可加PSF系统误差,经过修正后,只有10~(-4)量级的残余;而PSF的另一个可乘系统误差则修正到1%以下。     

宇宙中的引力透镜现象

本文评述了近十年来所发现的引力透镜事例及其理论解释,讨论了利用引力透镜现象研究宇宙大尺度结构,星系结构、类星体性质、暗物质性质及宇宙弦特性等一系列问题,展示了引力透镜效应这一活跃研究领域之全貌。     

引力透镜与类星体─星系(星系团)成协

综述了背景光源（类星体）与前方天体（星系、星系团等）成协的观测和统计事例．详尽叙述了与成协问题相关的引力透镜理论．全面介绍了对各种成协事例进行引力透镜理论解释的方法、研究现状及存在的问题．还给出了一种计算成协样品中面密度超出因子的改进方法．     

引力透镜与类星体——星系（星系团）成协

综述了背景光源（类星体）与前方天体（星系、星系团等）成协的观测和统计事例。详尽叙述了与成协问题相关的引力透镜理论。全面介绍了对各种成协事例进行引力透镜理论解释的方法、研究现状及存在的问题。还给出了一种计算成协样品中面密度超出因子的改进方法。     

用强引力透镜研究暗晕中心的物质分布

对矮星系和晚型LSB星系的最新高分辨率自转曲线进行观测,揭示出由CDM主导的物质密度分布中心具有常数密度核。在ΛCDM宇宙学框架下,纯CDM宇宙学N体模拟给出普适的、带尖点的NFW模型,解决尖点-核问题的最佳方案是考虑暗晕中心重子物理过程对暗晕密度分布的影响。到目前为止,考虑重子物理过程后,不管是解析模型还是数值模拟,给出的暗晕密度分布都能很好地符合自转曲线的观测结果,但是却不能通过强引力透镜观测的检验。最后,对基于这两种观测到底能不能用一个统一的暗晕密度分布模型来描述作了简要的讨论,并认为需要更多的强引力透镜样本和分辨率更高的数值模拟,以解决上述问题。     

Robertson-Walker度规背景下的引力透镜公式

本文考虑时空背景度规对点源引力透镜公式的影响,并从线段在均匀各向同性的膨胀空间中的一般关系得到了弯曲时空背景下的引力透镜公式,其在平空间的极限可以回到通常的引力透镜公式.本文最后讨论了公式对透明引力透镜及宇宙论等方面可能存在的影响.     

灾难性测光红移对重子声波振荡和弱引力透镜限制暗能量状态方程参数的影响

研究了存在灾难性测光红移误差时重子声波振荡(Baryon Acoustic Oscillations,BAO)和弱引力透镜(Weak Lensing,WL)的互补效应,以及灾难性测光红移误差对限制暗能量状态方程参数的影响。针对类大口径全天巡视望远镜(Large Synoptic Survey Telescope,LSST)的巡天项目,建构了在z-zph面左上角(UL)和右下角(BR)局域性分布的灾难性测光红移误差模型,并分别针对左上角和右下角的灾难性测光红移,利用费舍尔矩阵(Fisher Matrix)分别估计它们对重子声波振荡、弱引力透镜和联合重子声波振荡+弱引力透镜(BAO+WL)限制暗能量状态方程参数的影响。若拟合模型没有包括实际存在的灾难性测光红移误差,则左上角和右下角的灾难性测光红移造成的偏差并非总是同号的。重子声波振荡受灾难性测光红移误差的影响最小,对于总比例为Ft=0.02的灾难性测光红移,最大的影响也只是左上角和右下角两部分对w0造成的偏差,相对偏差约为30%。但在对弱引力透镜和联合重子声波振荡+弱引力透镜的影响上,通常都有几倍的偏差,因此灾难性测光红移误差的影响不可忽略。另外,关于弱引力透镜对w0的限制,左上角和右下角造成的偏差大小几乎相等,但符号相反,从而导致总体影响反而变得很小。当拟合模型包括灾难性测光红移误差在内后,虽然测光红移误差分布模型多了45个自由度,但在同样大小的训练集的情况下,重子声波振荡和弱引力透镜的互补效应仍然很强。在此条件下,暗能量状态方程参数的误差并没有太大的增加。特别是重子声波振荡的限制结果增加量少于1%。弱引力透镜对w0和wa的限制误差分别增加了14%左右(UL+BR)和6%左右(UL+BR),而联合重子声波振荡+弱引力透镜对w0和wa的限制误差都只增加5%左右(UL+BR)。     

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.     

基于小波方法的平滑算法在引力透镜中的应用

基于离散小波变换(DWT)方法,提出了一种可用于计算三维数值模拟样本面密度的平滑算法.为检验方法的有效性,利用该算法研究了两组不同质量解析度的引力透镜数值模拟样本,样本采用了暗物质晕的等温椭球模型,使用蒙特卡罗方法生成.计算结果表明此算法能够在很高的精度上构建引力透镜模拟样本的面密度分布轮廓,由面密度计算出来的透镜的临界曲线和焦散曲线也能较好地和理论曲线吻合,结果是令人满意的.同时比较了三组不同的小波基的计算结果,包括Daub4,Daub6和B-spline 3th,给出了最优的选择.在不损失平滑效果的同时,此算法具有非常高的速度,非常适合于处理以后更高精度的N体数值模拟.     

奇妙的引力透镜(二)

引力透镜阿贝尔2218(Abell 2218),是哈勃空间望远镜在1999年12月修复后所发现的巨型引力透镜。Abell 2218是一个富星系团,由成千上万个星系组成,位于天龙座,距地球约30亿光年。它的极其强大的引力把处在它后面比星系团远5～10倍的星系放大、增亮和扭曲,形成一段段的圆弧,大约共有120段。     

不同天文观测对宇宙学模型的限制

正1998年,科学家们通过对Ia型超新星的观测研究,发现了宇宙在加速膨胀,揭示了暗能量的存在.该发现使得宇宙学成为当今物理学的研究热点.宇宙学是一门高度依赖于观测事实的学科,利用各类天文观测数据来限制不同的宇宙学理论模型是现代宇宙学的一项重要研究工作.本论文的主要研究内容是利用不同的天文观测来限制宇宙学.这些天文观测包括Ia型超新星、超亮的Ic型超新星、伽玛射线暴、强引力透镜、星系团的角直径距离以及星系年龄.本文第1章简要回顾     

光锥中强引力透镜的数值模拟

根据高精度宇宙学N体数值模拟输出的星系团以及星系团X射线光度和质量的经验关系:L-M,在红移区间(0.14,0.3)内构建了一个X射线波段流量限为3×10~(-19)J·s~(-1)·cm~(-2)(如Local Cluster Substructure Survey,缩写为LoCuSS )的大质量星系团样本。利用高分辨率的Ray-tracing数值模拟对包含真实观测信息(即红移、大小和形状)的COSMOS背景星系源进行单个透镜的成像模拟,并统计星系团不同投影方向的巨弧(即L/W10)产生效率。依据数值模拟立方体的尺度建立观测光锥,再根据光锥内不同红移区间所占立方体的体积比例用对应数量、红移的透镜对光锥进行随机填充,通过平均它们的透镜效率,最终计算得到光锥内的平均强引力透镜效率为3.22_(-1.47)~(+2.73)×10~(-2)。     

K_(ING)星系与类星体的引力透镜统计特性

本文以King模型去描述星系的引力透镜行为,把已知类星体作为光源,从统计上计算了引力透镜类星体对与其像间分离的关系。结果表明,星系的透镜行为不仅能解释全部透镜事例,而且可以揭示出星系的某些统计参数,如星系的最大质量、平均半径、平均核半径及质光比。宇宙中星系质量密度因子,Ω_g,亦可从中求得。     

奇妙的引力透镜(一)

透镜是折射式光学望远镜中的重要部件。凸透镜可以使入射的平行光线偏折,并会聚到焦点上,这些是大家都很熟悉的。然而,说起引力透镜,人们就不那么熟悉了。引力透镜不是指光学望远镜的镜头,而是指宇宙空间中某些质量特别大的天体,它们会起到像玻璃透镜一样使光线偏折的作用。假如在一个遥远天体和地球之间存在一个大质量的天体,遮住了遥远的天体,那么,我们是否就看不见那个遥远的天体了呢?令人感兴趣的是,我们看不到遥远天体,却能看见遥远天体的多姿多彩的虚像,有的是两个虚像,有的是4个虚像,还有的是扭曲变形成为弧状甚至是     

距离最近的引力透镜

2237+0305是已发现的引力透镜中距我们最近和最简单的例子。它位于飞马座Ⅱ的外边缘,是一个模糊的旋涡星系。在五个先前已知的事例中,起透镜作用的星系或星系团距离我们是如此遥远,以至于要研究它们,甚至证认它们都是极其困难的。现在,天文学家找到一个相对来讲是近的事例,它     

爱因斯坦环及其星系团环境

该文研究了以星系作为透镜体产生的切向弧(即"爱因斯坦环")的强引力透镜现象,并对该领域近年来的观测和研究作了总结.对形成这些强引力透镜"环"的星系所进行的研究表明,其附近存在的质量所产生的会聚和剪切对透镜的质量分布模型非常敏感.在大视场巡天中找到的这种爱因斯坦环的数目相当多,大约是每平方度10个,其中"强引力透镜巡天"(Strong LensingLegacy Survey,SL2S)提供了大量处于星系团视场中的由椭圆星系产生的爱因斯坦环样本.系统地研究星系团外围存在的爱因斯坦环,一方面可以理解星系团环境对爱因斯坦环的影响,另一方面可以利用它们来探测星系团的物质分布,并进而对冷暗物质宇宙学提供新的探测方法.     

引力透镜类星体SDSS J1001+5027吸收线证认

基于斯隆数字化巡天(Sloan Digital Sky Survey,SDSS)第12期数据(data release 12,DR12)的光谱,分析引力透镜类星体SDSS J1001+5027的A, B两个像的光谱。两个像光谱的红移分别为1.84132±0.00024和1.84545±0.00012,透镜天体红移约为0.415。通过证认可靠的CⅣλλ1548, 1551或Mg Ⅱλλ2796, 2803窄吸收双线的方法,证认出A, B两个像的光谱中红移分别为1.60677±0.00012, 0.87140±0.00007和0.41455±0.00006的3个吸收系统。从3个吸收系统共证认出27条窄吸收线。测量27条窄吸收线的等值宽度,再通过分析、比较3个吸收系统在A, B两个像光谱中吸收线的数量及等值宽度的差异,给出了3个吸收系统在引力透镜类星体SDSS J1001+5027视线方向可能的分布示意图。     

关于类星体宇宙学红移的新证据和新认识

自对类星体红移解释发生激烈争论以来,近7、8年新的观测证据、统计分析和理论解释,都是有利于宇宙学红移解释的。它们包括: a)与类星体红移相等但光学光度弱得很多的成协星系的系统观测和结果; b)引力透镜事例的发现和解释; c)标准烛光化后获得的视星等-红移关系; d)标准宇宙模型下解释了类星体发射线红移分布; e)射电子源间最大角径θ与红移图上上包络线的存在; f)理论上给出了可能的产能机制和传能过程,并获得新的观测证据。但是与类星体红移不等的星系成协事例,仍有待深入观测和进一步研究。