暗物质晕中星系形成和演化的若干前沿问题研究

We will combine high-resolution numerical simulations and theoretical models with observational measurements to study a number of frontier problems in the field of galaxy formation and evolution. The detailed research projects are separated into three categories: "low redshift galaxies", "high redshift galaxies" and "the applications". A set of N-body and hydrodynamical simulations for purpose of comparison will be carried out in the first place, and will be incorporated with a variety of statistical methods to study the structure of dark matter halos as well as the formation and evolution of galaxies within them. For the low redshift galaxies, we will carry out detailed studies on the following topics: 1) the large scale distribution of galaxies, making constraints on theories of galaxy formation; 2) the density field of matter, understanding the corresponding topological structure; and 3) the distribution of velocity and its application on the cosmological probes. We will then extend our studies to redshifts z~1 with attempts in order to make a step forward in understanding the distribution of galaxies at these redshifts. The related objectives include: 1) measuring galaxy clustering and making constrains on galaxy evolution and star formation behaviors, 2) constructing catalogues of high redshift galaxy groups, 3) determining high redshift matter density fields and investigating the evolution of dark matter structure. The results obtained from above studies will be useful in many aspects. We will build mock catalogues for the next generation large surveys like LSST and Chinese South Pole telescope surveys. Thus generated catalogues are useful for understanding their selection effects and allowing advanced researches. Apart from these, we will carry out galaxy-galaxy weak lensing measurements to better understand the substructure of dark halos; the Sunyaev Zel'dovich (SZ) effect measurement; so on and so forth.

本项目将结合高精度数值模拟、理论模型和观测测量，对暗晕中星系形成和演化的若干前沿问题进行研究。研究内容分低红移、高红移和应用三个层次。将计算一组N-体和流体的对比数值模拟，并利用这些模拟结果以及一系列统计分析方法，研究暗晕及其内含星系的增长和演化。更深入地研究低红移宇宙中：星系的大尺度结构分布，并用以约束星系形成理论；物质密度场，讨论相应的拓扑结构；速度分布特性，讨论其宇宙学效应。对较高红移z=1处星系分布和特性进行初探：测量星系的成团特性，限制相应的星系演化途径、恒星形成率等；构建高红移星系群表；测量相应的物质密度场，并结合低红移结果讨论暗物质结构的演化行为等。这些结果可以用来构建下一代巡天项目如LSST、南极望远镜等的模拟星系表，研究相关的观测效应，尽早开始相关的预研究；可以应用于星系-星系弱引力透镜测量，探讨暗晕子结构的存在与否及其性质；应用于SZ效应的测量；等等。

在本项目中，我们围绕着建立暗晕-星系之间的链接，限制暗晕中的星系形成机制等开展了系列性的研究工作，获得了如下成果。首先，在计算高精度的数值模拟：N-体和流体对比研究方向，我们提出并实施了近邻宇宙的重构数值模拟（ELUCID）计划：（1）建立了最高精度的初始条件重构理论；（2）完成了大规模的ELUCID重构数值模拟；（3）给出了可靠的精度分析；（4）指出了恒星形成熄灭的机理；（5）给出了可靠的暗晕-星系的配对，为我们从事后续一对一的结构形成研究奠定了基础。其次，在暗晕中的星系形成和演化的模型研究方向：（1）我们基于自洽的星系质量演化模型，预言了星系的恒星形成历史；（2）给出了不同颜色星系所具有的不同暗晕占据数模型；（3）通过红移畸变的改正，重构了真实空间的星系成团特性，用以提高条件光度函数理论预言的精度。其三，在暗晕中的星系形成和演化的实测方向：（1）利用SDSS-IV/MaNGA巡天测量星系恒星形成历史的二维分布，发现星系熄灭过程由内向外发生；（2）构建了近邻宇宙包括2MRS、6dFGRS等在内的星系群表，用以研究近邻宇宙的结构形成过程；（3）通过测量宇宙学网络中的星系指向分布，发现星系的指向和其所在潮汐场的特征向量方向有关，结果表明星系的形成受其大尺度如宇宙学网络的影响；（4）构建了eBOSS星系群表，并基于成团性测量的帮助首次可靠测量了该巡天的恒星质量函数。最后，在暗晕中的星系形成和演化的应用方向：（1）我们构建了系列模拟巡天样本，用以检验限制宇宙参数测量的精度；（2）完成了星系-星系弱引力透镜测量，获得了主暗晕结构参数的测量，并获得了暗晕子结构的质量测量；（3）应用于SZ效应，我们获得了星系群尺度上的tSZ效应以及kSZ效应测量。在本项目的支持下，已发表SCI标注论文50篇；与此同时，我们在国际合作、人才培养、队伍建设等多个方面都有不俗的表现。