关于中科院-荷兰科研组织项目:“利用强引力透镜在最小尺度上检验星系形成”的结题成果总结

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该中荷合作研究项目的首次交互始于2019年2月27日到3月1日,在北京国家天文台召开第一次工作会议。荷方参会7人,中方参会10人,其中包括毛淑德、许丹丹教授等,荷兰格罗宁根大学开普坦天体物理研究所与荷兰射电天文学研究所(ASTRON)的 John McKean 教授,德国马克斯·普朗克天体物理研究所的 Simona Vegetti 教授等。双方参会人员相互汇报了已有工作进展,同时围绕中荷项目的科学目标进行讨论,进一步明确了具体的研究方案:使用最新的强引力透镜系统的观测数据,以及来自新一代宇宙学磁流体动力学数值模拟的模拟样本,从统计上获得各方面系统因素对“异常位置比”以及“异常流量比”的贡献;同时利用典型的观测系统,逐级拟合,反馈修正。最终通过观测和模拟数据的结合使用,理解小质量暗物质子结构和超大质量黑洞在星系形成中的重要作用。会议分配了中荷主要成员的具体任务。

该合作中,中荷双方目前已产生总共13篇发表于国际期刊的科研论文,包括在射电观测和理论模拟两个方面。特别的是,在理论和数值模拟方面,我们利用引力透镜数值模拟,首先考察并证明了强引力透镜数值模拟中表面密度网格有限大小截断会为模拟的透镜成像信号带来的人为的虚假外部剪切,纠正了强引力透镜数值模拟领域时常犯的经验性错误,并且定量地给出了精确构建模拟信号至少需要50倍爱因斯坦半径大小的表面密度网格的结论,这为使用数值模拟方法继续检验流量异常问题提供了必要可靠的数值计算基础。该工作于2020年12月,在Astronomy & Astrophysics上发表“The impact of mass map truncation on strong lensing simulations” (Van de Vyvere, Lyne et al. 2020, A & A, Volume 644, 6 pp)。进一步,我们利用引力透镜数值模拟,考察了星系中密度高阶矩对透镜成像拟合的影响。透镜星系密度高阶矩是产生流量异常比的重要原因之一。我们考察了其影响对透镜星系椭率、爱因斯坦半径、观测数据信噪比、以及具体透镜拟合策略的依赖,为我们理解高阶矩与流量异常比的相关性打下重要的理论基础。该工作于2022年3月,在Astronomy & Astrophysics上发表“TDCOSMO. VII. Boxyness/discyness in lensing galaxies: Detectability and impact on H0”(Van de Vyvere, Lyne et al. 2022, A & A, Volume 659, 19 pp)。

从观测方面,我们还开展了一项利用强引力透镜效应间接探测透镜星系中的电离介质及其分布的研究。在射电波段,透镜星系中的电离介质对射电波的吸收、散射等效应是产生异常流量比的原因之一。此前人们已经意识到这点,但一直未能将射电波传播效应引入到引力透镜系统分析建模的过程中。针对这一问题,我们申请的多波段全球 VLBI 网络观测 "A magnified view of an ionised scattering medium in a z= 1.145 late-type galaxy" 已在2022年4月获得通过。共拿到 3 个波段 (18, 6, and 3.6 cm) 各 12 小时的观测时间。参与的望远镜包括:欧洲VLBI 网(EVN), 多单元射电连接干涉阵 (MERLIIN), 甚长基线阵列 (VLBA), 绿岸射电天文望远镜 (GBT) 等。将在2022年下半年和2023年陆续观测。建模方法方面,我们正在把射电传播效应加入到基于射电可见度数据的强引力透镜系统建模方法中,目前正在进行方法验证和测试。参与该观测研究的人员还包括开普坦天文研究所的博士后研究员Wen Di博士,马克斯·普朗克天体物理研究所的博士后研究员Devon Powell博士,博士生Simon Ndiritu,以及清华大学博士生匡仁昆。

该研究不仅能解释已发现的一些强引力透镜系统中的异常流量比现象,还能间接探测透镜星系中的电离介质分布,了解其中恒星形成环境等。该研究课题发展的方法,将有望应用于未来大型射电巡天观测,如平方公里射电阵SKA的数据中。