宇宙大尺度结构测量和星系形成的若干问题研究

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本文由三个部分组成。首先在第一章,我们简单介绍了宇宙学和星系形成的基本知识,包括均匀各向同性的宇宙模型、在膨胀宇宙中物质扰动的线性增长、物质密度扰动的非线性演化和结构形成、以及宇宙大尺度结构测量的方法等。关于宇宙大尺度结构测量方法,我们主要介绍了星系关联函数和功率谱的测量方法,其中包括两点关联函数、多点关联函数和功率谱的最优估计方法。另外,我们还介绍了与星系大尺度结构分布相关的宇宙微波背景辐射的主要几个次级效应,如积分的Sachs-Wolfe效应(ISW)、Sunyaev-Zeldovich效应(SZ)等,以及它们和星系分布的互相关函数。  在第二章中,我们探讨了一个近年来颇受关注的有趣现象,即宇宙在很大尺度上可能存在一个相对于宇宙微波背景辐射的整体流动,称为“暗流”。如果此暗流的存在是真实的,那么星系际介质和星系、星系团内的热气体中的自由电子会通过逆Compton散射改变微波背景辐射光子的能谱,从而导致微波背景辐射在Rayleigh-Jeans频段的等效黑体温度会降低(暗流与视线方向相反)或升高(暗流沿着视线方向)。这会在微波背景辐射上产生两个效应:一个与暗流速度方向相反的偶极矩和由分布不均匀的自由电子引入的在小尺度各向异性。这个暗流在微波背景辐上留下的各向异性,在小尺度上与自由电子的分布一致,大尺度上受到暗流的调制而呈现一个很强的偶极矩信号,或正比于cosθDF。这里,θDF为观测天区与暗流速度反方向的夹角。此现象可用来区分暗流和微波背景辐射其它的次级效应,如热SZ效应、通常的运动学SZ效应以及ISW效应等。本文我们通过给星系-微波背景辐射相互联函数加上最优化的与方向有关的权重来追查暗流的踪迹。利用SDSS-DR7主星系巡天(KIAS-VAGC)以及WMAP七年数据,我们发现加权的星系-微波背景辐射互相关函数非零,其统计置信度达到了3.5σ(低红移星系)和3σ(高红移星系)。为了进一步确认此异常互相关函数的来源,我们测量了未加权互相关函数在天空的变化,发现其具有复杂的方向依赖。特别是,在某些区域未加权的互相关函数呈现了偶极式分布,即正比于cosθDF。这验证了我们测得的加权互相关函数非零,但与文献中提出的单一暗流的预言不符。由此我们得出结论,星系-微波背景辐射互相关函数上存在异常的各向异性,其不可能是由已知的各种次级效应产生,也不太可能是由单一暗流产生的,其来源还有待进一步确定。即将释放数据的Planck卫星以及未来的大型星系巡天将有助于揭开它的神秘面纱。  在第三章,我们研究了星系群中最亮的卫星系的分布与星系群主轴方向成协的现象。在星系形成的等级成团模型中有两个颇为流行的猜想,即卫星系并合入星系群时倾向于沿着与星系群主轴成协的周边纤维状结构,以及最亮卫星系进入星系群的时间较晚,因而没有经历过多星系群引力势的迟豫和动力学摩擦效应的影响。基于此,我们期望最亮卫星系最好地保留了关于其并合历史的记忆,因而其分布更倾向于沿星系群主轴方向一致性排列。利用杨小虎等基于SDSS第四次数据释放的主星系红移巡天样本(SDSS-DR4)创建的星系群样本,我们发现了此一致性排列现象(置信度为5σ)。我们还发现此一致性排列强度与星系群的暗晕质量、星系群丰度成正相关。另外,红色最亮卫星系的一致性排列倾向要显著地强于蓝色最亮卫星系。有趣的是,其它卫星系并没有表现出显著的与星系群主轴方向成协的现象。进一步,我们研究了半解析模型中相同的成协现象,并且得到与观测十分符合的结果,除了相反的最亮卫星系颜色依赖关系。我们还发现大约80%的最亮卫星系在并合以前是中心星系,最亮卫星系的并合时间上要晚于其它卫星系以及越早并合的最亮卫星系在红移零时越是接近其相应的中心星系。所有这些结果都与以上的两个猜想不谋而合。
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