紫金山天文台“太阳和太阳系等离子体”组研究工作简介

在过去的半个多世纪里,天文观测技术取得了“从可见光到全波段”观测和“从地面到空间”观测这两个方面的重大突破,不仅极大地开拓了天文学研究的新视野,也使整个天体物理学的研究方向发生了重大转变。从对稳恒天体及其天体系统的稳态平衡结构及其长期宇宙学演化规律的研究转向了对宇宙弥散介质的动力学过程的研究和活动天体的爆发现象、正常天体上的活动现象等高能爆发活动及其瞬变动力学演化过程的研究。宇宙各类天体的能量驱动来源大体上可以分为三类：天体物质坍缩过程中释放的引力势能、恒星内部核燃烧释放出的核能和各种磁天体环境中等离子体-磁场相互作用释放的磁能。     

基于红移畸变测量宇宙结构增长率的进展

星系红移巡天的一个主要目标是依据光谱红移测距,详细刻画宇宙中星系的三维空间分布。由于星系本动速度的存在,红移空间的星系分布存在着严重畸变,在大小尺度上有着不同模式的各向同性偏离。通过对红移畸变的观测研究,人们可从中获取速度场的信息,因此,红移畸变已成为暗能量探测的重要探针之一,为检验宇宙学尺度上的引力模型提供帮助。当前星系红移巡天项目已经取得了非凡成功,为人们提供了详细的星系空间分布数据。人们据此测量了星系的相关函数和功率谱,提取了精确的红移畸变信号,并通过模型拟合限制出了一批不同红移处宇宙结构增长率的估值,为探索宇宙尺度的引力模式提供了数据支持。主要介绍红移畸变模型、星系红移巡天观测和宇宙结构增长率测量等研究进展。     

红移畸变对宇宙学空洞的影响

为探索红移畸变对空洞性质的影响, 利用了一组星系形成半解析模拟星表数据, 采用VIDE (Void Identification and Examination toolkit)算法寻找真实空间和红移空间的宇宙学空洞, 根据空洞外围墙结构处的星系运动速度将空洞分为``塌缩型''和``膨胀型''. 结果表明: ``塌缩型''空洞所占比例会随着空洞的尺度变大而减少, ``膨胀型''空洞则与之相反, 两类空洞的平均有效半径在实空间中相差20%, ``塌缩型''空洞的平均径向密度轮廓显著高于``膨胀型''空洞. 利用成员星系将两种空间中的空洞进行匹配, 通过比较实空间和红移空间中空洞的数目分布, 发现实空间和红移空间中空洞的数目差异与空洞大小有关, 并且红移空间中有一半左右的空洞无法对应到实空间. 对匹配空洞, 红移畸变对``塌缩型''空洞的密度影响更大; 对未匹配空洞, 其密度轮廓与匹配空洞存在明显区别, 并且实空间中未匹配空洞其壳层星系向空洞内部运动的趋势更加明显.     

宇宙微波背景辐射的观测和理论

介绍了有关宇宙微波背景辐射（ＣＢＲ）观测和理论研究的最新进展。叙述了基于ＣＯＢＥ卫星的观测宇宙学,包括对背景辐射谱,各向异性的观测结果及其理论意义;并系统介绍了ＣＢＲ各向异性形成的种种机制;展望了下一代宇宙微波背景探测器（ＭＡＰ和ＰＬＡＮＣＫ）的科学目标和主要技术参数。     

标量场的动量与宇宙波函数

我们用有限维超空间模型分析了标量场的动量对宇宙波函数的影响。指出经典禁戒区的范围与动量值密切相关;在一定的条件下,在α～0附近区域内会出现经典允许区;波函数的行为与算符顺序因子p有关。使用Vilenkin边条件,我们得出α一定时波函数随标量场φ的分布几率不依赖φ,这与忽略标量场的动量时算出的分布几率不同,因此对于剧胀宇宙的初条件的推断也不同。最后,我们把所得的结果与经典剧胀理论进行了比较。     

面向宇宙再电离探测的基本数据处理方法

宇宙再电离时期(epoch of reionization, Eo R)的探测是SKA的重要科学目标之一,也是目前许多SKA探路者阵列的首要科学目标。由于宇宙再电离信号非常微弱,因此在数据处理的过程中存在许多难点,如高精度校准、大视场高动态成像等。对默奇森宽场阵列(Murchison Widefield Array, MWA)、低频阵列(Low Frequency Array, LOFAR)、21CMA阵列(21 Centimeter Array, 21CMA)等SKA低频先导干涉阵列的基本数据处理方法进行了综述,如干扰的识别与去除、数据校准、可视度研究以及成像研究等,并对数据处理时用到的一些常用技术与软件作了相应的介绍与总结。     

高红移类星体的21cm信号研究

利用高精度数值模拟的结果修正了高红移类星体(QSO)电离和加热中性气体的理论模拟,并预测了500m口径球面射电望远镜(Five-hundred-meter Aperture Spherical Telescope, FAST)观测QSO周围21 cm辐射的信号特征以及信噪比,得出如下结论:(1)红移z=8且光度与ULAS J1120+0641一致的QSO在FAST望远镜视场下的21 cm频率谱有完整的HII区,但在z=10且较低QSO光度下的21 cm频率谱仅有一个小的凹陷;(2)光子有限旅行时间(Finite Light Travel Time, FLTT)效应明显改变高红移QSO的21 cm频率谱,使得较低频率端的过渡曲线明显比较高频率端陡;(3)使用FAST望远镜观测高红移QSO的21 cm辐射的信噪比非常高,最高可达～12,因此可以很好地识别HII区和FLTT效应.     

倾斜冷暗物质谱与宇宙中可观测结构

为了缓解标准冷暗物质模型在解释一些观测现象时所遇到的困难，本考察了倾斜冷暗物质谱模型。在ＢＢＫＳ原初扰动场统计理论的基础上，本根据天体质量函数的计算公式和背景－天体相互作用的估计方法，计算了星系群和星系团的质量函数，并与最新观测质量函数作了对比，又分析和计算了在各种空洞尺度上天体密度的变化。计算结果表明，倾斜冷暗物质谱模型在与ＣＯＢＥ卫星观测结果相容的前提下，能在上述两个方面缓解标准冷暗物质模     

宇宙大尺度分形结构的上限

本文给出了用几种达到不同极限星等的星系表确定宇宙分形结构上限截止尺度的公式.利用Zwicky星系表、Shane-Wirtanen星系表和Jagellonian天区的星系表的数据,可以估计这一截止尺度R_c至少为60—70Mpc,且R_c随着自相似分布所占比例f的减小而增大,或可大到约270Mpc的尺度.