星系宇宙学

星系在其大尺度宇宙学环境中形成和演化；对星系物理的不断深入理解又反过来帮助我们更精确地限制暗物质、暗能量宇宙学模型。清华天文系星系宇宙学方向，根据研究对象的结构尺度，开展三大主要领域的科学研究：星系内部组分和结构演化、星系周暗物质晕环境中的星系形成与演化、以及大尺度结构与宇宙学。这些基于观测、理论及数值模拟展开的各方面研究工作，紧密围绕着天文系目前正在推进实施的大型观测项目，包括宇宙热重子探寻卫星及南天宽视场光谱巡天望远镜，和围绕X-射线光谱和偏振技术展开的研发工作。此外，天文系深入参与了众多重要的国际星系巡天项目（SDSS-IV，JCMT，PSF，DESI以及LSST）；珍贵的大规模星系数据成为观测模型的实践平台和理论研究的观测依据。

1. 星系内部组分和结构演化

星系内部组分、星族、恒星形成与“熄火”

一个星系是由恒星、尘埃、包含原子和分子的冷气体、电离热气体等星际介质，以及位于星系中心的超大质量黑洞组成。这里发生着今天宇宙中最纷繁复杂的天体物理活动。恒星形成是星系活动中最重要的物理过程，它与气体吸积密切相关，并直接影响着星系的整体性质。而星系中心的超大质量黑洞需要从宿主星系或星系际介质中吸积气体甚至恒星而成长。这两者成长所需的原料——气体的流动，又是由星系所处的暗物质晕强大的引力场来控制和规范。而恒星濒临死亡时的爆发（星风和超新星爆发）和黑洞吸积导致的能量反馈（辐射与喷流）又反过来显著影响着星系中一代又一代恒星的形成与“熄火”。清华天文系利用我们参与的多个大规模星系巡天项目（例如SDSS-IV/MaNGA和JCMT/JINGLE），从统计上研究星系各种成分之间的复杂联系，理解星系的恒星形成与“熄火”、冷气体吸积、黑洞吸积导致的星系核活动等多方面研究，从而获得各类星系的完整的物理图像。

星系动力学结构

未来十年将是星系动力学研究的大好时机。 GAIA卫星将提供银河系十亿颗恒星的运动学信息；LAMOST也将为我们提供数百万颗更暗恒星的运动学和化学信息。SDSS-IV/MaNGA到2020年底将完成10,000个附近的星系积分场光谱巡天。目前8-10m望远镜上的MUSE之类的仪器正在提供高红移星系的更详细的运动学信息，这也是未来30米级望远镜的关键科学目标。如何利用这些数据发展星系的动力学模型仍然是对理论天体物理学家悬而未决的巨大挑战。 我们感兴趣的主要方向集中在如何利用这些巨大的数据库，同时结合高精度数值模拟，来理解星系内的质量（包括暗物质）分布和轨道结构，以及我们如何使用得到的化学动力学信息来进一步理解星系的形成和演化。

2. 星系周暗物质晕和热气体环境中的星系形成与演化

星系与暗物质晕的相互关联

星系生长于其暗物质晕环境：宇宙中千姿百态的星系全部来自于暗物质晕中心气体的冷却和坍缩。暗物质直接决定了星系的命运。要想理解星系如何形成演化，我们必须要更深刻地理解星系-暗物质晕关联。与此同时，星系也可以帮助我们描绘出宇宙中暗物质晕的空间成团和质量分布等对宇宙学至关重要的信息。只有掌握了准确的星系-暗物质晕关联模型，我们才能正确地理解这些宇宙学线索。在未来相当长一段时间内，星系-暗物质关联都将是星系宇宙学领域的核心议题。观测上，一方面我们需要基于巡天观测从统计上测量各类星系的丰度和成团性。清华天文系将利用已完成的SDSS巡天，正在进行的DESI巡天，和即将实施的PFS巡天进行这方面的研究。此外，弱引力透镜技术近年来飞速发展，成为了宇宙学研究的核心工具。清华天文系也会利用不同宇宙学测光前所未有的弱引力透镜能力去描绘不同星系周围的暗物质分布，并综合利用这些信息不断加深我们对星系-暗物质关联的理解。

星系周介质及星系际介质的研究

星系周气体（CGM）和星系际介质(IGM)是星系暗物质晕环境的重要物质组分；对其研究正在迅速地发展。目前宇宙学的“标准模型”普遍认为星系是通过纤维网状的“冷”气体流驱动内部的恒星形成，这种冷气体流通过宇宙网，与更大尺度的星系际介质相连接。此外，许多观测证据都显示，宇宙重子大部分都位于星系周气体和星系际介质内。目前的图像是，星系际介质是原初气体储集层，它通过星系周气体引导并最终为星系内部的恒星形成活动提供燃料，而后者反过来又金属増丰了星系周气体和星系际介质，并在更大范围内增加了宇宙的金属丰度。在天文系，我们已全力开展宇宙热重子探寻卫星的研发；同时，我们的观测和理论研究还着眼于通过X射线，莱曼阿尔法和金属线的吸收线和发射线，并通过S-Z效应，揭示宇宙更早期的星系周气体和星系际介质的环境，并了解其与星系和宇宙更大尺度结构之间的联系。

原初星系团和宇宙早期星系的形成

由明亮的星系周和星系际热气体强烈标识的重要宇宙学结构就是星系团，它们是今天宇宙中最大、最重但是刚刚形成的结构。宇宙学涨落如何演化为星系及宇宙大尺度结构是理论和观测宇宙学的基本问题之一。人们已经观察到在红移2的地方（宇宙早期）已经能够发射热的弥散X射线的星系团，这表明这些星系团的形成阶段及其祖先（例如，原初星系团）应早于红移z = 2。红移z = 2–3是理解结构形成的良好实验室，主要体现在以下的四个方面： （1）确定星系团的质量和丰度对于理解宇宙结构形成与增长至关重要，可以从观测上，给宇宙学模拟提供非常强的限制。 （2）位于红移 2-3的原初星系团区域可以研究星系特性对环境的依赖（例如周围密度增强到底对恒星形成是促进还是熄灭）。 （3）一般认为，最大质量的星系存在于星系团中心。所以，原始星系团为我们研究宇宙早期最大质量的星系的演化提供了绝佳的场所。反过来，大质量星系的形成可以用来约束星系团的形成历史。 （4）原初星系团提供了独特的区域来探索星系与星系际介质的相互作用和联系。

3. 大尺度结构与宇宙学

宇宙再电离与21厘米宇宙学

在更早的宇宙时期，宇宙经历了再电离时代。在此期间，星系际氢原子气体从中性态转变为电离态。在宇宙几亿年到十几亿年间，第一代发光体的出现（“宇宙黎明”）驱动了宇宙再电离这一过程。宇宙再电离可以由宇宙微波背景辐射、莱曼阿尔法森林、莱曼阿尔法发射体等手段间接探测到，但最有前景的突破性发现将很有可能通过观测氢21厘米谱线而实现。在天文系，我们利用辐射转移程序进行宇宙学再电离模拟和半数值模拟，从而研究再电离如何进行和完成，以及它在可观测统计量上的“指纹”。我们也应用机器学习技术开发新方法进行21厘米观测数据的科学解释，这些方法将应用到未来大型射电干涉阵列实验比如平方公里阵列望远镜（SKA）的数据分析上。

宇宙大尺度结构

在更大的尺度上，暗物质构成了宇宙大尺度结构的纤维状骨架，星系在骨架的结点上形成和演化，构成可观测宇宙的基石。研究表明星系的空间分布在很大的尺度范围可以示踪宇宙暗物质密度场，因此长期以来被作为重要的宇宙学探针之一。另一方面，大尺度环境对暗物质晕的形成历史和星系的形成与演化有重要的影响。得益于越来越大和越来越深的星系巡天观测，研究者通过直接三维成像观测、或采用两点相关函数和功率谱等统计工具对星系的大尺度分布做了详细的研究，发现在超过100Mpc的大尺度上星系的分布呈现丝状结构。该现象与宇宙学数值模拟揭示的由暗物质构成的宇宙大尺度结构很好地对应起来。在天文系，我们利用SDSS、DESI、PFS以及SKA等现有或将来的大规模巡天，致力于测量星系分布在极大尺度上的各向异性，并试图以此限制星系形成和大尺度结构形成的理论。

引力透镜探测暗物质宇宙学

在暗物质宇宙学的研究方面，天文系还开展引力透镜的相关研究工作。引力透镜是天体物理及宇宙学领域的重要研究工具。引力透镜现象的产生是由于来自遥远背景天体的光线穿过前景“透镜”天体引力场时发生偏振和延迟，导致背景天体成像的扭曲和放大。不同暗物质宇宙学模型给出对暗物质结构丰度和结构的不同预言，因而导致不同的透镜统计信号。根据大样本的统计分析，我们从而能判断以及限制不同的暗物质宇宙学模型。此外，我们还探究和发展在当下和未来大型巡天中找寻更多的引力透镜系统的高效算法，以帮助我们实现不同的研究目标。