深度模拟巡天的宇宙剪切、PSF修正及对宇宙学应用的影响

Studies of the properties and distribution of dark matter and dark energy are hot topics in modern cosmology. Weak gravitational lensing, especially cosmic shear caused by large scale structure, is one of the most powerful tools to investigate dark matter and dark energy, as well as to test different theories of gravity. Based on the public data, a set of simulations, matching the VOICE deep survey, is built in the project. Lensfit, which is one of the most popular softwares, is applied to the simulated deep survey for shear measurement. Its capability and the corresponding accuracy of shear measurement on the deep survey are quantified. Systematics caused by point spread functions (PSFs) of the deep survey is analyzed in detail and taken into account for cosmological applications. Results can be adopted in other deep cosmic shear surveys although the simulated survey in the current project is specific to the VOICE survey.

宇宙暗能量、暗物质的性质及分布是宇宙学研究的热点与前沿。弱引力透镜，特别是宇宙大尺度结构产生的弱引力透镜【即宇宙剪切（cosmic shear）】，是研究暗物质、暗能量和检验引力理论最直接、最重要的手段之一。本项目基于公开的原始据数，建立一套符合VOICE深度巡天的模拟宇宙剪切巡天；利用目前主流的Lensfit软件对模拟巡天进行剪切测量，并对其处理深度巡天数据的能力与剪切的测量精度给以定量的描述，着重分析在宇宙剪切研究中极为重要的由PSF修正产生的系统误差，进而讨论对所提取的宇宙学信息的影响程度。本项目所采用的研究方法应可推广应用于其他的深度巡天。

遥远星系发出的光在传播过程中受到宇宙大尺度结构的引力作用，路径发生微弱偏折，使得我们观测到的星系的光度和形状偏离其本征性质，这称为弱引力透镜效应。它敏感于宇宙膨胀过程和大尺度结构的形成与演化，是研究暗物质暗能量和引力性质的重要宇宙学探针，也是当前和未来多个大型观测项目的主要科学驱动。相比于宽巡天，深度巡天情况更为复杂，对观测、数据处理等方面要求更高。由于深巡天需要在同一天区进行数十甚至数百次的曝光，其长时间间隔则导致不同曝光图像间的观测条件（如视宁度、背景天光等）以及点扩散函数的差异。因此，迫切需要针对“深”巡天的复杂状况，检测目前剪切测量软件（如Lensfit）的测量能力和精度，合理描述多种系统误差，得到可靠的宇宙学应用结果。..本项目以VOICE深度巡天为例，基于公开的原始数据，结合已有的弱引力透镜理论和观测研究基础，建立了一套符合VOICE的模拟深度宇宙剪切巡天。采用星系真实的位置信息和恒星真实的PSF图形，加入与观测一致的星系星等和尺寸分布、观测噪声等，再利用模型构建星系的椭率和剪切信号，产生单次曝光模拟图像。此外，本项目还深入细致地研究了SNR阈值、选择效应等的影响，并分析了背景暗源以及地面巡天特有的高星系数密度导致的星系的星系混叠问题，这对未来大型巡天观测分析非常有借鉴意义。..在本项目的支持下，针对VOICE巡天r波段数据进行了大量的分析和检验。在此基础上，使用Lensfit方法完成了弱引力透镜剪切信号测量，建立了高质量深场巡天剪切样本(30万个星系)，为后续研究奠定了基础。在观测测量和模拟分析的基础上，我们成果获得了含有偏差矫正因子 m 的星系剪切样本，并开展了相应的宇宙学研究。..虽然VOICE巡天面积相对较小，统计分析误差相对较大，但其深场观测的特点可以让我们利用所得到的剪切样本进行不同的研究，包括我们正在开展的互相关分析、星系团探测等。同更为重要的是，通过对VOICE数据处理我们积累了深场多曝光图像分析的经验，为我国在巡天数据处理、弱引力透镜研究领域的进一步发展贡献了后备力量。本项目所产出的引力透镜模拟组件已应用于中国空间站光学巡天CSST项目，为CSST早期的巡天策略和图像模拟提供必要的科学技术支撑。基于本项目的研究成果以及对CSST巡天预科学研究的贡献，本项目的承担人现为CSST宇宙学预研究项目的测光红移星表子课题的负责人。