多体和流体模拟在宇宙结构和星系形成研究中的应用

We will ultilize a set of high resolution N-Body/hydrodynamical simulations which are ready or being finished on the supercomputer platforms in China, in aim to doing researches in the fields of cosmic structures and galaxy formation. Firstly, we will use simulations with resolutions higher than those used before to confirm and improve our previous studies of the baryonic effects on the properties of dark matter halos. At the same time simulation results by various codes (e.g.,Gadget, Enzo, Flash, ART, etc.) will be compared with each other to find out what could be the difference and what are the reasons,as well as what could be the artificial numerical effects. Then, we will extend the studies to the field of galaxy clusters, for example, the formation and evolution of elliptical galaxies in galaxy clusters, the X-ray halos, SZ effect,gravitational lensing, the properties of substructures,etc. Simulations of galaxy formation will be carried out with several important focus, e.g., how to define "galaxy" in the simulations? How to properly compare with observations? We will try to understand what are the problems and find the possible solutions. Finally we will turn to some new topics found during the carrying out of this project and some other hot topics. The results and scientific outcomes will be summerize at the end and published in the major anstronomical and astrophysical journals.

我们将利用已有的和正在国内的超级计算平台上运行的几组高分辨率的多体/流体数值模拟，进行与宇宙结构和星系形成有关的研究工作。首先，我们将更高分辨率的模拟验证并改进以前的关于重子物质对暗晕物理性质影响的研究成果；同时将比较不同模拟程序（例如Gadget、ENZO、FLASH和ART等）得到的模拟结果，找出差异及其原因，并探讨其中可能存在的数值效应。然后，我们将把研究拓展到与星系团相关的领域中，例如星系团中椭圆星系的形成和演化、X射线晕的性质、SZ效应、引力透镜效应、子结构性质等；并用数值模拟研究星系的形成，研究如何定义模拟得到的"星系"、如何把模拟结果与观测结果比较，找到并理解模拟中可能存在的问题、提出可能解决的办法；最后，我们将开展一些项目执行过程中新发现的课题或者国际热点课题，并总结本项目所得到的成果，在国际一流天文和天体物理学刊物上发表相关学术论文。

近年来，利用多体/流体数值模拟研究宇宙结构和星系形成与演化，特别是重子物理过程对暗晕性质的影响的研究，涉及到宇宙学模型参数观测测定的精度，一直受到国际同行的关注。利用多体/流体数值模拟结果，首次创新性地提出“模拟观测”方法，研究了如何在数值模拟中定义“星系”，确定“星系”的性质，探讨了观测效应，并指出，只有使用“模拟观测”方法，才能更合理地与观测结果比较；我们把这种方法运用到星系团际弥散恒星成分的研究中，得到了重要的结果，论文刚刚发表，就被DES研究组关于第一批结果的论文所引用；同样的方法，还可以更加直观地得到星系的中心和主轴指向等信息，用于研究卫星星系的分布以及指向相关性，并可以用于更加合理地定义星系恒星质量函数和光度质量函数，相关研究工作还在继续。我们还利用宇宙学多体模拟结果，研究了暗晕的并合过程，以及暗晕子结构的性质（例如spin）。利用数值模拟结果，我们还研究了kSZ效应、弱引力透镜效应中的源和透镜成团性的影响等。同时，我们还利用星系巡天观测结果，研究了星系的演化和性质，特别是恒星形成被抑制的过程，该研究可以为以后数值模拟中的气体和恒星形成过程的考虑，提供有用的线索。