近期，中国科学院上海天文台陕欢源课题组和上海交通大学物理与天文学院张鹏杰课题组合作，基于国际上最先进的千平方度巡天（Kilo-Degree Survey, KiDS）数据和Planck卫星宇宙微波背景辐射弱引力透镜（CMB lensing）数据，研究了利用二者的交叉关联限制宇宙学，并首次在这一结果中完整考虑扣除来自星系内秉指向性（intrinsic alignment, IA）带来的污染。相关研究成果已于2023年5月16日发表在《天文学与天体物理学》（Astronomy & Astrophysics）上。
弱引力透镜是暗物质宇宙演化的唯一无偏探针，它在限制宇宙学、大尺度结构演化、暗能量模型等方面有着其他观测手段无法替代的优势。弱引力透镜描述了光线因相对论效应在弱引力场中产生偏折，而对应光源即会在观测者眼中发生形变而偏离原本形状。通过对这一形变效应的观测，即可推测出光源和观测者之间的引力场分布或物质分布，从而更深入地理解宇宙成分性质和宇宙大尺度结构的演化规律[1]（图1）。天文学家认为，使用星系形状因弱引力透镜的形变（剪切场，shear）和CMB光子因弱引力透镜的形变（汇聚场，convergence）的交叉关联，可以有效避免一些系统误差的影响，更好地提取出宇宙学信息。
图1，弱引力透镜示意图。左上角的星系发出的光线如果沿蓝色直线传播到望远镜处被我们观察到，则呈现出左下蓝色框中的图景。而实际上光线的传播会被途经的物质的（中上部）引力场所扭曲，以黄色光路传播。对应的，观测到的星系形状也会呈现相应的扭曲，如右下黄色框中所示。从蓝色框到黄色框中星系图像发生的形变，可以用来研究光路经过的物质分布。
这一交叉关联自2015年首次被观测到以来[2]，已被多项研究工作使用不同数据得以验证。然而这一信号的处理仍存在一些简单的假设，这些假设在未来的观测中可能会被打破。本次研究论文第一作者、中国科学院上海天文台姚骥博士指出，星系内秉指向性IA，即星系在被弱引力透镜扭曲之前的形状，对这一交叉关联信号的影响一般都基于一些假设，而这些假设的正确性值得更深入探讨。本次研究中，科研团队总结了在过去的8年里对这一信号所有的处理方法（图2），其中忽略IA的处理方法以橙色线段标注，考虑了IA的影响但是对IA的模型和参数进行了很强的假设的工作以绿色线段标注。为了弥补这方面探索的缺失，研究人员利用星系内秉指向性和弱引力透镜信号在光路上是否具有对称性这一特征，使用自修正的方法分离并扣除了KiDS数据中星系内秉指向性（IA）的影响，并验证了由于IA导致的这一系统误差在如今的数据中已经拥有一定的影响，约合0.5σ，超出了无偏宇宙学0.31σ的要求[3]。而这一影响在即将到来的第四代弱引力透镜巡天中将会随着统计误差的缩小而极速放大。本次研究中所使用的全新的IA自修正方法是在弱引力透镜宇宙学的首次应用。这一新方法为宇宙学的研究提供了除模型拟合、模拟数据验证等传统的手段之外，直接从测光巡天数据中提取IA并消除其宇宙学影响的方法，也是目前唯一基于对称性的IA修正手段。
图2，使用IA自修正方法与之前结果获得的引力透镜幅度的对比（幅度为1表示和Planck宇宙学吻合）。本研究的3个主要结果：使用IA自修正方法扣除IA、完全忽略IA的存在、不使用IA自修正也不对IA进行强的假设，在图中以蓝色呈现。本研究中和IA的物理本质无关的一些对数据、模型、处理方式的选择所造成的差异，以红色呈现。对之前工作的总结以橙色（忽略IA）和绿色（对IA有强假设）呈现，其中橙色做法对应蓝色“ignore IA”，未能扣除IA的污染，绿色做法如果不对IA进行强假设，则误差棒会像蓝色“IA w/o SC”的情况一样显著增大。
研究结果显示，通过大量的基于模拟数据和观测数据的自洽性检验，自修正方法能够很好的减少IA对宇宙学信号的污染，且通过打破简并现象，极大的保持了观测对宇宙学的限制力。论文通讯作者、中国科学院上海天文台陕欢源研究员表示，本次研究的重要意义不仅体现在通过大量验证、完善了扣除方法的方式对IA进行了更为详实的研究，同时本次研究使用了独立于其他方法的、全新的自修正扣除方法，首次在测光巡天数据中从对称性的角度提取并扣除IA污染。这种全新的扣除方法也可以扩展到许多其他宇宙学研究上。陕欢源还补充道，本次从星表到宇宙学的研究，在工程实现方面也具有重要意义，期望后续在我国自主研发的空间站工程巡天望远镜（CSST）上开展相关的应用研究。
本项目由国家科技部重点研发项目、载人航天项目、国家自然科学基金支持。
参考文献：
[1] https://www.darkenergysurvey.org/darchive/how-to-tease-out-the-tiniest-distortions-of-galaxy-shapes-to-probe-the-secrets-of-the-universe/
[2] Hand, N., Leauthaud, A., Das, S., et al. 2015, Phys. Rev. D, 91, 062001
[3] Massey R., et al., 2013, MNRAS, 429, 661
科学联系人：
姚骥，中国科学院上海天文台，ji.yao@shao.ac.cn
陕欢源，中国科学院上海天文台，hyshan@shao.ac.cn
