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紫台在宇宙大尺度结构与暗物质晕关联性研究方向取得研究进展

  近期由中国科学院紫金山天文台(PMO)、浙江大学-中国科学院紫金山天文台联合天文学研究中心、德国波茨坦天体物理研究所(AIP)三家单位的科研团队合作完成的一项研究成果“Cosmic Web-Halo Connection Between Twin Universes”发表在国际天文学顶级期刊《天体物理杂志》(Astrophysical Journal)。

  宇宙学N体数值模拟是目前天文学家研究宇宙密度场非线性演化阶段的主要技术手段。它通常的做法是用大量假想的粒子或网格代表所模拟宇宙区域中的暗物质团块,在万有引力的主导下发生相互作用,逐步构成星系、星系群、超星系团,乃至网状的大尺度结构(这种小尺度结构先形成,大尺度结构后形成的模式,也被称为等级成团模式)。随着计算机技术的蓬勃发展,N体数值模拟的规模也以类似摩尔定律的速度在扩大。目前,最大规模的N体数值模拟项目所包含的粒子数已突破万亿。

  按照主流的看法,宇宙初始密度场的不均匀性来自于微观的量子涨落,这是一种具有Harrison-Zel’dovich扰动谱形的高斯随机场。之后密度场进入线性演化阶段,理论上,这一阶段的扰动谱形变化可由线性转移函数描述。在计算机内部,N体数值模拟的初始条件来自于随机数种子生成的高斯随机场,一次N体数值模拟的结果可以看作是对宇宙中某个“随机天区”的模拟,不同数值模拟间的统计差异由所谓的cosmic variance(或称为宇宙密度场偏差)描述。因此,跨模拟比较单个天体(暗物质晕)的演化史是没有意义的,有意义的只能是大样本间统计学上的比较。受此约束,长期以来,研究人员在研究暗物质晕的角动量与大尺度环境间的关系时,很难将暗物质晕自身演化史的影响剥离开来。

  针对N体模拟的上述特点,研究人员开发了一种所谓的“孪生模拟”(twins simulation)技术。该技术的主要思想是在生成模拟的初始条件时,通过批量改变小于某个波数k的随机数种子,来生成“孪生初始条件”。从此类初始条件出发得到的不同模拟间可以找到许多的“对应暗物质晕”,它们在小尺度上保持对应的同时,大尺度环境却发生了显著变化。孪生模拟技术使得跨模拟的单个暗物质晕间比较成为可能,从而在研究暗物质晕演化与大尺度环境间关系的时候,达到了“控制变量”的效果。

图1,两组孪生模拟的效果图。左右两列分属于不同的模拟,上下图来自于同一组模拟的不同时间切片。颜色相同的圆圈圈出来的是研究人员跨模拟找到的对应暗物质晕,圈的大小表示暗物质晕质量。可以看到对应暗物质晕所在的大尺度环境在不同模拟间发生了显著改变。(Chen et al. 2021)

  研究人员利用六组孪生初始条件生成了六组孪生模拟,并用它们研究了大尺度环境对暗物质晕角动量方向的影响,发现表征大尺度环境的e3特征向量的改变确实引起了对应暗物质晕的角动量-e3系统发生相应的转动,从而维持角动量与e3特征向量间的某种对齐信号(该信号在以往的观测和模拟中都得到了广泛的证实)。该研究通过孪生模拟技术,不仅证实了大尺度环境确实会对暗物质晕的演化产生影响,还研究了暗物质晕角动量对大尺度环境改变的响应方式。这在以往的N体模拟研究中是很难做到的。


图2,e3特征向量的转动会引起对应暗物质晕的角动量-e3系统的相应转动,二者近似呈线性关系,且随红移的演化不显著。阴影部分代表了结果的不确定度(Chen et al. 2021)

  该研究得到了的国家基础学科公共科学数据中心--宇宙学数值模拟数据库(CSD)项目的支持。论文第一作者为紫金山天文台星系宇宙学与暗能量团组博士后陈厚尊,指导老师为浙江大学康熙教授。

  论文链接。

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