宇宙再电离时期的相关性研究，星系团中的暗物质，及修改引力理论

论文摘要

宇宙再电离时期历史以及暗物质和暗能量的本质是宇宙学目前存在有待解决的重大问题。本文分三大部分,第一部分是有关宇宙再电离时期的探测,第二部分是对星系团中暗物质的研究,第三部分是对修改引力理论的研究,在这个理论下,我们不需要引入冷暗物质。第一部分是对宇宙再电离时期的研究,这属于国家天文台重点项目21CMA的理论研究部分。大约从红移z～20第一代恒星开始大量形成到z～6宇宙被完全电离这一段时期对应宇宙的再电离时期。探测这一时期的最理想的工具是宇宙21厘米线背景辐射。另外,宇宙红外背景与软X射线背景辐射中存在未知来源的部分,有理由怀疑它们来自早期宇宙。第一代恒星所发出的紫外波段辐射和类星体所发出的硬X射线分别被红移到今天的红外和软X射线波段。它们也可以用来研究和探测早期宇宙。但是由于这些背景辐射的前景污染都过于严重,在这里我们采用互相关的方法,它可以放大有关联的信号而去掉不相关的前景。本文将分别研究来自第一代恒星的红外背景和来自类星体的X射线背景,同现有观测进行比较。我们用一个壳层模型来描述第一代恒星和类星体的21厘米辐射,并指出相对于类星体,第一代恒星对21厘米背景的贡献更大。最后给出这些信号的互相关功率谱的理论预言,并结合观测（21CMA/LOFAR,ROSAT和AKARI）讨论互相关信号的可测量性。我们看到,虽然这些互相关信号有着明显的特征,但是依然很难被观测到,这是由于现有X射线观测ROSAT和红外观测AKARI对软X射线和红外背景引入的很强的噪声。第二部分是对星系团中暗物质的研究。标准宇宙学模型下,暗物质是星系团中的主要物质成分,它决定星系团的形成和演化。在这里,我们的研究集中在两个方面:一个是星系团CL0024+17的暗物质环（Jee et al.2007）。我们尝试在与暗物质同为无碰撞粒子的星系中寻找这样的现象。我们的研究表明,在3σ的置信级上,我们在二维投影的星系分布中无法看到类似暗物质分布的环状结构。另一个是bullet星系团所指出的暗物质中心与重子物质中心分离的现象,这一现象给出了暗物质在星系团中存在的直接证据。我们从一组星系团出发指出这样的分离在星系团中是普遍现象,并用此解释了长期存在的星系团中强引力透镜和X射线的质量差异问题。第三部分是对修改引力理论（MOND）及其协变形式（TeVeS）的研究。我们主要研究这个理论的引力透镜效应,我们给出一个非球对称引力透镜模型,并结合CASTLES引力透镜寻天对这一模型进行研究,我们指出这个模型在MOND下可以很好的拟和多数的双像系统,但是由于MOND下测量精度和非线性效应对引力透镜影响极大,它不能拟和某些双像系统。而由于其自身的限定,无法拟和绝大多数四像系统,这是因为我们的模型无法同时产生大的剪切和大的爱因斯坦环,未来需要更为精确的三维模型。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 目录
• 第一章 引言
• 第二章 宇宙再电离时期的探测
• 2.1 概述
• 2.2 中性氢的21厘米背景
• 2.2.1 21cm线的发射机制
• 2.2.2 宇宙21cm辐射背景及其观测
• 2.2.3 21厘米线的壳层模型
• 2.3 宇宙红外背景
• 2.4 宇宙X射线背景
• 2.5 宇宙再电离时期的相关性研究
• 第三章 星系团中的暗物质
• 3.1 星系团概述
• 3.2 CL0024+17中暗物质环的研究
• 3.3 星系团引力透镜与X射线中心偏离
• 3.4 星系团强引力透镜与X射线质量差异
• 第四章 修改引力理论
• 4.1 概述
• 4.2 MOND宇宙学与引力透镜
• 4.3 MOND下非球对称引力透镜模型
• 附录A
• 附录B
• 参考文献
• 发表文章目录
• 简历
• 致谢