探索宇宙大尺度结构的新型可观测量—位置相关的两点相关函数

[ 录入者:Melipal | 时间:2015-06-06 10:52:47 | 作者:Melipal 译 | 来源:MPA | 浏览:4978次 ]

原文标题:A new observable of the large-scale structure: the position-dependent two-point correlation function

作者:Chi-Ting Chiang   原文来自:Max-Planck-Institut fur Astrophysik   Posted: 2015. 5. 15

编译:Melipal 审校:数星星的猫(编译版权所有,未经许可请勿转载)

对宇宙大尺度结构的观测(如星系巡天)是研究宇宙最重要的工具之一。特别是可以使用大尺度环境对结构成长的影响,来检验我们对引力以及暴涨物理的理解。马普天体物理所的一个研究小组最近发展了一种新的技术,来从实际观测中更好地提取这种信号。具体说来,我们要将星系巡天划分为小块,定量分析每个小块中的结构和环境,并测量这些物理量之间的相关性。这一技术为根据实际观测对基本物理学进行关键检验铺开了全新的道路。

大尺度结构是当代天文学用于研究宇宙特性最重要的观测量之一。大型星系巡天项目,如2dF星系红移巡天以及斯隆数字巡天(SDSS)测量着数百万个星系在天空中的方位以及距离(红移),当前可以一直描绘到64亿年之前的情况。科学家随后使用这些数据来绘制宇宙的3维地图,就像图1这样。

图1:哈勃空间望远镜拍摄的星系团MACS J1149.5+2223图像。数个背景星系具有多重影像。一个尤为引人注目的例子是一个正面的旋涡星系,插入图中描绘了该星系的放大图像。(图片提供:Michael Blanton and SDSS collaboration)

如图1所示,你可以清晰地看到纤维状结构以及相对空荡荡的区域。这就是我们宇宙的面貌。为了定量分析我们宇宙中的这些结构,科学家特别使用了所谓的“两点相关函数”,它可以给出在给定间距上发现成对星系的概率。举例来说,如果将间距定为150百万秒差距(相当于4.9亿光年,合4.6×1021千米),那么我们就数一数有多少组星系对彼此间距对150百万秒差距。数完这个间距上星系对的数量之后,我们就去考察下一个感兴趣的距离。我们要反复重复这样的计数工作,然后就可以得出两点相关性相对距离的函数关系。

图2中的橙色数据点表示根据SDSS巡天观测到的星系测量出的两点相关函数。我们在距离大约150百万秒差距处发现了一个小小的鼓包。这意味着发现一对星系相距150兆秒差距的概率要比更近或更远的间距更大。这个鼓包是大爆炸区区40万年过后,由充斥着宇宙(当时处在电离态)的等离子体中的声波留下的印迹。

图2:BOSS巡天第10批数据CMASS样本的两点相关函数。橙色数据点是针对观测到的星系进行的测量,虚线表示当前公认的宇宙学模型的预期值。(图片提供:Ariel G. Sánchez and SDSS collaboration)

虽然两点相关函数是定量分析宇宙结构最常用的统计方法,但观测到的星系含有了更多信息。特别地,一个有趣的问题是,这些结构是否与其大尺度环境相关,关联性会是什么样的?更具体地说,我们希望能够研究在密度相对较高的区域是否比密度较低的区域存在更多的结构。

这个问题可以通过“三点相关函数”来回答,也就是去研究三个给定间隔的星系。然而这样的测量有赖于寻找三重星系,而由于观测到的星系数量非常庞大,这项工作在计算上是极具挑战的。

图3: 将BOSS DR10 CMASS样本分割成天空中的各个子空间。每种颜色的方块都覆盖了整个红移范围。

最近来自马普天体物理所的一个研究小组发展了一种新的方法——与方位有关的两点相关函数,以图回答宇宙结构与环境的关系这个问题,并从被测星系中捕获这种特定的信号。具体说来,对于给定的一次星系巡天,我们将整个巡天涵盖的空间划分为子空间(参见图3)。随后我们要测量各个子空间相对整个巡天范围平均的密度超出以及两点相关函数,以获取与位置有关的两点相关函数。随后我们要测量这两个量之间的关系。如果我们发现二者是正相关的,那么这说明在密度较高的背景环境下更容易找到更多的结构,反之亦然。用数学的语言说,这一相关性测量的是三点函数的积分值,因此我们称其为积分三点函数。由于这一新型方法只需计数星系对,三点函数相关的计算量问题在很大程度上得以回避。

我们将这种方法用于研究SDSS星系样本(BOSS DR10 CMASS样本)的“真实”与“模拟”数据。真实的数据包括大约40万个被测星系的位置与距离(红移)数据,而600份模拟星表是通过模拟生成的,它们的特性与真实数据相同,供数据分析用。第一次针对BOSS DR10 CMASS样本的积分三点函数测量如图4所示。我们发现,虽然被测星系的积分三点函数与模拟数据的结果并不完全一致,但二者是处在允许的离散范围内的。而且,针对真实数据与模拟结果平均值的测量无论对于何种间隔来说都大于0,这说明在我们的宇宙中,如果某结构身处较为致密的环境中,它们增长得确实更加明显。

图4:对BOSS DR10 CMASS样本进行的第一次积分三点函数测量。黑色实线表示对实际数据测量的结果,绿色细线表示对600组模拟数据的测量结果,红色粗虚线表示模拟结果的平均值。

小尺度结构及其环境或背景的耦合在宇宙学中发挥着根本性的作用。这种相关性是由引力演化导致的,有可能还源自暴涨物理。因此这种新的可观测量——与位置有关的两点相关函数让我们可以检验对引力或暴涨物理的理解。将我们的初次测量与其他探针(如全局两点相关函数与弱引力透镜信号)结合起来,我们可以限制星系是如何追踪潜在的暗物质分布的。未来借助更好的数据,我们将利用这一手段来研究暴涨的特性,而暴涨是物理学中最大的谜题之一,同时它还为今天所见的一切结构提供了种子。

参考文献:Chi-Ting Chiang,Christian Wagner,Ariel G. Sánchez,Fabian Schmidt与Eiichiro Komatsu,《SDSS-III重子振荡光谱巡天第10批公开数据CMASS样本与位置有关的相关函数》,http://arxiv.org/abs/1504.03322

(全文完)

Tags:大尺度结构

责任编辑:Melipal

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