beat365天文系宇宙學研究團組利用弱引力透鏡峰值統計方法限制修改引力理論
大量的觀測證據表明，我們的宇宙正處在加速膨脹的狀态，這需要1）在廣義相對論的框架下，引入未知的具有“負壓”性質的
“暗能量”成分；2）或者在宇宙尺度上修改引力理論。二者均會極大地影響我們對宇宙的認知。
在合适的模型以及參數空間下，上述兩類理論均可解釋宇宙加速膨脹。然而，它們将會預言不同的結構形成與演化過程。因此，大尺度結構的觀測将對人們理解宇宙加速膨脹的本質、加深對基本物理和宇宙的認識至關重要。
宇宙大尺度結構産生的引力效應改變時空性質，造成光的傳播路徑發生偏折，這使得所觀測到的遠處星系的形狀和亮度發生微小改變，這個效應稱為弱引力透鏡效應，是公認的最重要的宇宙學探針之一。基于Canada-France-Hawaii
Telescope Lensing Survey（CFHTLenS， http://www.cfhtlens.org）的弱引力透鏡觀測數據，beat365官方网站天文系範祖輝教授領導的宇宙學研究團組與英國杜倫大學、國家天文台和上海師範大學合作，通過進行詳盡的弱引力透鏡峰值統計分析，對一個具有代表性的修改引力理論“Hu-Sawicki
f(R) 修改引力理論”給出了非常嚴格的限制，相關工作發表在Physical Review Letters雜志上。
在弱引力透鏡分析中，利用測量到的星系的形狀，可以構建宇宙中的物質分布，而其中的高峰區域與視線方向上的大質量暗暈相關。因此，高峰值數目的多少密切地依賴于暗暈的形成與演化過程，是檢驗引力理論的敏感的探針。與其他星系團的研究相比，弱引力透鏡峰值統計方法具有很獨特的優勢，即其為純引力效應，受複雜的重子物理過程的影響弱。另一方面，弱引力透鏡分析有自己的系統誤差，如何正确地預言弱引力透鏡峰值分布對宇宙學的依賴一直是該領域最重要的前沿問題。近年來，beat365天文系宇宙學研究團組在建立理論模型、模拟校準分析、開發快速計算程序等方面開展了深入的研究，已建立了利用弱引力透鏡峰值統計進行宇宙學研究的系統分析方法。
在本工作中，結合最新的宇宙微波背景觀測結果，該研究團隊對CFHTLenS弱引力透鏡觀測數據進行了詳盡的分析，首次利用弱引力峰值統計方法對”Hu-Sawicki
f(R) 修改引力理論”給出了嚴格的限制，且并沒有發現背離廣義相對論的證據。該工作明确證實了利用弱引力透鏡峰值統計方法區分不同引力理論的可行性。
圖1左上角中展示了引力透鏡系統的示意圖，左下角展示了一個從CFHTLenS背景星系形狀重構得到的物質分布示例，右圖則顯示了對CFHTLenS觀測數據分析之後得到的峰值分布（上）以及對應得到的宇宙學限制（下），其中|fR0|參數的大小反映了與廣義相對論（對應|fR0|=0）的偏離。
|
圖 1. （左上）引力透鏡系統示意圖（credit：NASA/ESA）。（左下）一個從CFHTLenS背景星系形狀重構得到的物質分布示例。其中白色的線代表的是對應的剪切量模式（shear
patterns）。暗藍色區域為掩蔽區域。黑色圓圈表示的是該天區證認出的redMaPPer星系團，這顯示出星系團與弱引力透鏡峰值分布存在很好的相關性。（右側）對CFHTLenS觀測數據分析之後得到的峰值分布（上）以及對應得到的宇宙學限制（下）。綠色以及紅色的線以及等高線分别代表采用WMAP和PLANCK微波背景輻射數據作為先驗所得到的結果。
|
未來的弱引力透鏡觀測數據量将大大增加，我們期待利用弱引力透鏡峰值統計方法将對不同引力理論及宇宙學重要參數給出更加強有力的限制。與此同時，我們需要更加精确的峰值統計理論模型，beat365研究團隊已經并将繼續開展深入研究。
該文章的第一作者和通訊作者均為beat365天文系宇宙學研究團組的博士後劉項琨博士。
該研究得到國家自然科學基金委重點項目和面上項目、中國科學院先導B類專項、中國博士後科學基金面上項目等的支持。
PRL發表論文鍊接：http://journals.aps.org/prl/pdf/10.1103/PhysRevLett.117.051101
