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多体模拟星系团中的强引力透镜现象

作　者: 李国亮
导　师: 景益鹏
学　校: 中国科学院研究生院（上海天文台）
专　业: 天体物理
关键词: 宇宙学星系团引力透镜
分类号: P157
类　型: 博士论文
年　份: 2006年
下　载: 71次
引　用: 1次
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内容摘要

本文重点讨论了强引力透镜在N体数值模拟中的应用。相比于早期解析形式的透镜模型，N体数值模拟给出的物质分布更加复杂，透镜的各种性质必须要通过数值计算给出。如何利用数值模拟给出的离散粒子，重建一个可信的、低噪音的面密度投影是基于N体数值模拟的引力透镜研究面临的第一个问题。为了解决这个问题，我们提出了一种基于三维SPH（Smoothed Particle Hydrodynamics）内核函数的SI（scatter and integrate）面密度算法。首先用蒙特—卡罗模拟一个均匀体分布和等温椭球分布来进行算法的误差分析。随后讨论了一个真实的N体数值模拟的星系团里的子结构和噪音对强引力透镜的影响。我们用Bradac等人2004年的工作结果作为比较，来说明我们算法的优越性。结果显示，强引力透镜过程、特别是其中的高阶奇异行为是一个复杂的过程，高阶奇异行为不单受子结构的影响；面密度上的噪音水平、非引力绑定的物质流、透镜本身的性质、透镜所处的环境同样是相当敏感的参量。利用一个ΛCDM模型下的大尺度N体数值模拟，我们研究了不同质量星系团对应的透镜巨弧的发生截面，进而得出星系团透镜巨弧的发生概率。背景源分布在红移0.6到7.0之间，轴比随机分布在0.5～1，轴比为1的源的直径取1.0″并令所有的源的面积保持相等。缩小源的有效直径到0.5″大约能使巨弧的发生概率提高50％。最可几的透镜红移随源的红移的增高而增高，对于长宽比L／W＞10的像，当z_s=1.0时，最可几的透镜红移在0.3，而当z_s=2.0时，最可几透镜红移在0.5。透镜的光深随源的红移有显著的抬升这与Wambsganss et al．（2004）相符和，但是绝对值仅为他们的结果10％～20％，而且同其他人的结果相比我们结果也总是偏低，这可以用不同的N体数值模拟参数以及像的形状分析方法来很好地解释。我们还统计了HMUs(highly magnified （and “undistorted” images）的统计概率，发现对于由放大率|μ|＞10和长宽比L／W＜3定义的HMUs的数目跟|μ|＞10，L／W＞10的巨弧的数目是可比的。最终的结果显示，虽然现在的观测和理论上还有很多的不确定性，但是理论预言的巨弧数目看起来总是低于实际观测。 WMAP（Wilkinson Microwave Anisotropy Probe）第三年的观测结果与当前流行的宇宙学参数有很大的差距，主要体现在物质密度Ω_m,0和原初物质密度

全文目录

摘要  4-6
Abstract  6-8
目录  8-17
第一章引言  17-41
  1.1 引力透镜简史  17-18
  1.2 宇宙学背景  18-22
    1.2.1 宇宙学原理和RW度规  18-19
    1.2.2 哈勃膨胀和宇宙的组成  19-20
    1.2.3 宇宙学红移  20-21
    1.2.4 角直径距离  21-22
  1.3 引力透镜的基本参数和方程  22-41
    1.3.1 透镜方程  23-24
    1.3.2 偏转势  24-25
    1.3.3 像的放大和形变  25-26
    1.3.4 时间延迟和费马势  26-30
    1.3.5 像的分类和手征  30-32
    1.3.6 引力透镜定理  32-33
    1.3.7 Caustic附近的源  33-41
第二章强引力透镜的数值计算  41-55
  2.1 面密度的计算  41-43
  2.2 偏转势和偏转角  43-44
  2.3 像平面到源平面的映射  44-50
    2.3.1 二维样条插值的初始化  44-45
    2.3.2 强引力区的高精度插值  45-50
  2.4 Ray-tracing成像模拟  50-52
  2.5 任意位置的点源在像平面上的根  52-55
第三章 N体模拟的面密度算法和噪音对强引力透镜的影响  55-83
  3.1 引言  55-57
  3.2 SI算法介绍  57-58
  3.3 SI算法的误差分析  58-62
    3.3.1 均匀体分布  58-60
    3.3.2 等温椭球分布  60-62
  3.4 N体数值模拟的星系团和子结构的影响  62-78
    3.4.1 N体数值模拟,子结构和物质流  62-67
    3.4.2 面密度分布、critical curves和caustics  67-69
    3.4.3 cusp关系  69-74
    3.4.4 与DTFE算法的比较  74-78
  3.5 结论  78-83
第四章 ΛCDM模型里透镜巨弧的数目统计  83-107
  4.1 引言  83-85
  4.2 N体数值模拟和成像模拟介绍  85-87
    4.2.1 N体数值模拟  85
    4.2.2 像的放大率和长宽比  85-86
    4.2.3 成像模拟及形状分析  86-87
  4.3 结果部分  87-94
    4.3.1 Ray-tracing成像模拟和W04近似的比较  87-94
  4.4 巨弧的光深  94-105
    4.4.1 同以往结果的比较  96-105
  4.5 总结讨论  105-107
第五章 WMAP第三年的宇宙模型里透镜巨弧的变化  107-117
  5.1 引言  107-108
  5.2 N体数值模拟、星系团的缩放和透镜算法  108-110
  5.3 数值模拟的结果  110-114
  5.4 总结讨论  114-117
第六章总结和展望  117-119
参考文献  119-127
发表文章目录  127-129
简历  129

多体模拟星系团中的强引力透镜现象

内容摘要

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