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物理与天文学院本科生研究成果在The Astrophysical Journal上发表


稿件来源:物理与天文学院 | 作者:物理与天文学院 | 编辑:许佳、郝俊 | 发布日期:2019-07-11 | 阅读次数:


        近日,由我校物理与天文学院2016级本科生张震宇、顾淦、王小马同学等完成的《Non-parametric dark energy reconstruction using the tomographic Alcock-Paczynski test》一文,被国际天体物理杂志The Astrophysical Journal(简称ApJ)接收发表。论文第一作者为张震宇同学,通讯作者为物理与天文学院李霄栋副教授。

        论文中,三位学生学习了李霄栋副教授等人于2014年提出的tomographic Alcock-Paczynski方法(以下简称“切片AP方法”),用来限制暗能量参数。“切片AP方法”是一种分析巡天数据的方法。简言之,科学家在获得星系巡天数据后,需要尝试采用特定的宇宙学参数(如暗能量比例、状态方程w等)才能重构出物质3维分布;当所尝试的参数与真实宇宙的参数有偏差时,重构出的结果就会出现异常,具体表现为“随红移变化的径向-角向不对称性”。“切片AP方法”利用这一现象检验宇宙学理论,认为能做到“随红移演化的不对称性最小”的理论参数是最接近真实的。该方法于2016年应用到SDSS巡天时获得了当时最强的暗能量参数限制。

        论文还采用了“非参数化”的统计方法来重构暗能量状态方程w。一般地,人们进行物理量的拟合回归时,都要假定它具有某种特定的形式(如线性、多项式、指数、正弦震荡等),这些先验的假定就给拟合回归带来了模型依赖的局限性。“非参数化”方法是一种克服这种局限性的技术,能得到不依赖具体数学函数模型的一般性结果。2017年国家天文台赵公博研究员等在顶级期刊Nature Astronomy发表了一篇著名的暗能量重构文章,就采用了这种方法。

 

使用“切片AP”与“非参数化”分析方法得到的暗能量状态方程w限制结果。相比传统的分析方法结果(红色区

域),加入“切片AP”方法的结果(蓝色区域)把低红移的精度提高了一倍,并呈现出“动力学暗能量”(w不是常数)的微弱信号。

 

        在李霄栋副教授的指导下,张震宇等三位本科生先是学习了“切片AP”巡天数据分析方法,随后又学习了“非参数化”的参数拟合回归方法,最后再将两者结合在一起,得到关于暗能量的最新限制。该研究工作得到了东北大学李云鹤老师的有力支持。李云鹤老师仔细研究文献,自主开发了一套非参数化拟合回归的Fortran程序。张震宇等随后将“非参数化”程序与“分层AP”程序调试好、对接到名为“cosmomc”的宇宙学参数拟合国际通用程序。对接完毕后,学生们作了一系列运行测试,确保结果准确可靠。最终,大家得到如下结论:将切片AP方法应用于非参数化的暗能量重构,能将z<0.7的低红移区间的暗能量状态方程参数限制提高一倍,并在该区间呈现出微弱的动力学暗能量信号(见上图)。这一结果非常理想,而为获得这一结果,张震宇等同学在学习之余密集地工作了整整一个学期。

        文章投稿后,审稿人认为论文的结果“很有趣”,但却针对论文的技术细节提了5个问题,盘问系统误差的处理细节,还要求补做一个“输入-输出”检验来论证分析流程的准确性。这些问题的提问非常专业,回答起来有相当的难度。在又经过了三个多月的辛苦工作之后,张震宇等人最终成功得到了审稿人要求的结果,完成了对审稿意见回复,一周后,文章被ApJ接受发表。

 

        论文链接:https://iopscience.iop.org/article/10.3847/1538-4357/ab1ea4

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