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1、TG1999075400项目名称二十一世纪天体物理重大问题：起止年月2000年 9 月至 2005 年 8 月项目首席科学家陈建生单位中国科学院国家天文台依托部门参加人员总数62第一承担单位承担单位数6项目总经费 万元其中973计划资助总额2232万元累计部门、单位匹配1540万元累计从研究单位获得的人员费1240万元累计获得的其它资助1200万元项目执行情况0101按期结题 02提前结题 03延期结题 04其他课题设置课题编号课题名称课题负责人承担单位G1*01宇宙学模型武向平张新民2000.9-2005.8G1*02宇宙大尺度结构与星系形成的理论和样本研究景益鹏G1*03星系层次的剧烈活动

2、现象周又元戴子高G1*04星系相互作用、并合和环境对星系形成的影响夏晓阳国家天文台G1*05星系中的恒星形成与演化杨 戟李向东G1*06星系结构与动力学束成钢赵 刚2项目主要研究内容和预期目标2.1 项目计划任务书设计的总体战略指导人类的近代科学文明是从揭示太阳系行星运动规律而拉开序幕。 从学科发展的全局看，廿世纪人类探索宇宙奥秘在两个方面取得了辉煌的成就。其一是建立了两大理论框架，即恒星的内部结构与演化和宇宙大爆炸标准模型；二是天文学再度成为新现象、 新思想、 新概念的源泉。 在大爆炸宇宙模型和恒星演化理论之间有一片盲区：即作为宇宙的基本单元星系是如何形成的？星系的组成单元恒星是如何形成的?

3、 大爆炸宇宙为星系的形成确定了初始的边界条件, 但众多重大问题有待解决，如： 1. 宇宙模型是如何制约星系的形成?2. 观测到的宇宙物质大尺度分布如何制约宇宙模型和星系形成?3. 宇宙暗物质在星系形成中起什么作用?4. 星系形成的局部环境相互作用, 对星系形成的关系?5. 恒星如何在星系中形成?6. 活动星系核是否是星系形成及演化的一个阶段?7. 各种恒星成分在星系中如何分布?8. 星系的化学丰度及分布如何随时间演化?9. 星系为什么有许多形态, 有没有演化上的联系? 10. 星系的形态和结构在动力学是否稳定 ? 等等 . 回答这些问题是全世界共同努力跨世纪天文学的前沿探索。 发达国家投巨资建

4、造地面和空间的新一代巨型天文设备, 把人类探测能力延伸到宇宙演化的早期。 中国也己确定星系形成与演化作为我国天文学科发展的国家目标, 在国家重大科学工程中安排天文重大设备LAMOST 以增加我国在这一重大领域的竞争力。 在设计总体研究方案时，考虑到我国与国际先进水平间整体落后的情况, 认真进行战略上的思考：包括观测设备的辩证法如何对待观测设备的巨大差距 ? 课题选择的辩证法如何选择突破口? 人才的辩证法如何解决优秀青年人才短缺? 以及战术上的思考, 包括1） 样本问题: 利用国内中小型设备建立自己的样本和利用国外数据库建立样本相结合。2） 中小型设备的作用：改造小望远镜, 使它成为富有特色的设

5、备；3） 数值模拟宇宙: 数值宇宙 是有效的研究宇宙整体行为的手段, 是 穷人的实验室 , 要适当加大计算机的投入；4） 数理学科交叉: 营造宽松的学术研究环境, 为进一步加强学科交叉创造条件；5） 国际合作；6） 网络建设: 网络通讯己是国际合作必不可少的有效手段。尤其是我们需要广泛使用国外数据库开展工作， 要保证足够经费用於网络通讯；7） 数据库建立；8） 人才: 国内与国外的结合；9） 与 LAMOST 的连接。在课题的设计上巳全面考虑与 LAMOST 建成后的连接。 除了课题本身以外, 在开展课题的过程中所发展的方法, 如海量数据库的管理, 多目标光纤光谱, 统计方法, 数值模拟等将可

6、全面移植到 LAMOST 天文研究；10） 课题内在联系：各个子课题的设计有密切的内在联系。2.2 项目任务书主要研究内容1）继续开展宇宙学模型研究 宇宙学模型是星系形成的初始条件. 宇宙学模型的确定关键在于宇宙学基本参数的确定. 新一代国际微波背景卫星如WMAP, 以及高红移超新星巡天两大计划的实现, 将有望最后确定宇宙学参数. 我们将在利用国外释放的观测数据, 并结合多种其它探测手段的数据，包括光学、X射线、引力透镜、S-Z效应以及数值模拟的分析, 研究各种质量测定方法的精度，利用星系团的质-光比、重子物质比重等一系列关系来检验各种宇宙学模型并联合测定宇宙的基本参数：、o等; 同时从理论上

7、研究暗物质粒子的非热产生机制及可观测的天文效应；暴胀宇宙及宇宙学常数问题。这一部分内容分配给课题组一。2）深入开展宇宙大尺度结构的研究 大尺度结构检验星系形成与演化理论和限制宇宙原初扰动谱. 近年来国际上星系巡天大样本 2DF 和SDSS 的完成为研究这个问题提供了基础. 我们将利用释放的数据, 建立共享的数据库, 继续开展数据分析统计方法, 高分辨数值模拟，星系大尺度分布的分层或偏袒的研究, 并利用国内观测设备开展有特色的星系团测光样本, 为LAMOST计划培养人才, 储备课题, 这一部分内容分配给课题组二。3）活动星系核研究 活动星系核是星系演化的重要阶段, 我们要研究宇宙中在星系尺度上的

8、高能现象, 研究它们的辐射机制, 中心大质量黑洞的质量测定方法, 活动星系核的物理分类以及吸积盘物理。这一部分内容分配给课题组三。4）星系相互作用、并合和环境对星系形成的影响 星系相互作用、并合和环境对星系形成有重大的影响. 我们利用各个波段高空间分辨本领成像观测能力数量级的提高, 着重研究星系并合如何推动中心大质量黑洞及其核球的形成和演化, 相互作用如何引发星系的物质外流，以及反过来对星系形成的反馈作用。这一部分内容分配给课题组四。5）星系中的恒星形成和演化要研究作为星系的组成单元的恒星如何在星系中产生, 研究恒星演化的不同阶段, 为星系的星族合成提供基础，开展银河系中恒星形成区的观测和统计

9、分析，研究对流、金属丰度和星风等因素对恒星（包括双星）演化和观测特征的影响; 研究星系中高能致密辐射源的物理性质及与当地恒星形成的联系、近星系超新星爆发的观测、超新星爆发对星周环境的影响、这一部分内容分配给课题组五。6）星系结构、动力学与化学演化开展太阳邻近区域的高分辨恒星光谱观测，确定化学丰度的空间分布。为银河系形成、结构和演化模型提供更准确的约束；探测银河系的磁场结构；这一部分内容分配给课题组六.2.3 项目任务书预期目标我们通过六个课题的实施, 在星系形成与演化的研究方面取得系统性的成果, 在国际上占一席之地, 为我国大科学工程LAMOST培养一批人才。具体的科学目标有: 1）提高星系团

10、质量（包括恒星、气体、暗物质）及宇宙学参数的确定精度；对暗物质、暗能量的本质有进一步认识; 2）发展宇宙大尺度结构的统计方法及星系与结构形成的半解析模型,获得粒子数为2X2563的高质量流体/N-体数值模拟和粒子数为2x106的高分辨大质量星系团的模拟, 获得宇宙最大结构的尺度并给出初始扰动谱的限制;3）研究黑洞质量确定的方法；在吸积盘、喷流模型以及全波段辐射机制等方面取得较大进展；阐明伽玛暴理论及与宇宙学的关系, 解释两类射电活动星系核差异的物理起因； 4）建立相互作用星系与并合星系样本；了解星系并合的产生环境、 并合的过程和终结状态；检验恒星形成初始质量函数的普适性。完成若干近邻星系深度面

11、源测光。获得一批近邻星系SED； 5）通过观测和理论研究, 在恒星形成的条件、过程及其统计规律，恒星的对流、脉动和物态，恒星演化与星系的SED，恒星晚期演化和对星周环境的影响等方面取得重要进展；6）获得一批银河系贫金属星的金属丰度；确定一批银河星团的高精度自行与成员；测量银河系内区及银河系晕中的磁场结构; 建立气体冷却与恒星形成过程对星系形成和演化关系的模型。3项目研究计划的完成情况 本项目根据设计任务书提出的战略及战术考虑，设定了内容密切联系的六个子课题，按照学科交叉、利用国内中小望远镜、大样本、数值模拟和争取国际合作的科学路线，全面并超额完成了预计的科学目标，在星系形成与演化的研究方面取得

12、了系统性成果。共发表了996 篇论文，其中SCI论文828篇。引用 3335次；国际会议特邀报告36次。获得国家自然科学二等奖3项，省部级一等奖7项。下面按子课题组顺序分别叙述。3.1 宇宙学模型在完成原计划星系团动力学和暗物质研究任务的基础上，及时调整并开辟了新的研究方向，完成了“宇宙第一缕曙光”探测项目的预研究，并启动了用于探测宇宙第一代发光天体的米波射电望远镜阵的建设。还根据国际宇宙学研究新动向，及时加强了暴涨宇宙模型和暗能量的研究。5年来共发表SCI论文98篇，被引用大约850多次，国际会议特邀报告5次，其中，用引力透镜研究星系团中暗物质分布获2000年度国家自然科学2等奖。具体课题计

13、划完成情况如下：（1） 暗物质粒子的非热产生机制 提出了非热产生暗物质粒子的机制，并指出可以解决冷暗物质在小尺度上的疑难问题。研究了暗物质与暗能量相互作用理论，提出了暗能量Quintessence的超对称伴子Quintessino作为暗物质粒子的一个新的想法。详细计算的结果显示Quintessino由非热产生, 可为冷暗物质或温暗物质的很好的候选者。（2） 暴涨宇宙学模型：率先在国际上提出了一个基于高维空间理论解释WMAP结果的暴涨模型。用双暴涨子模型和数值拟合给出了解释微波背景角功率谱在大角度上的反常压低的可能性。提出了一个多“Tachyon”场的暴涨模型，解决了单场模型中的一些困难。 （3

14、）Quintom暗能量模型：2004年利用最新的超新星（SN）数据来限制暗能量状态方程是宇宙学研究的一个热点。我们发现有迹象表明暗能量的状态方程w在今天是小于1的，然而随着红移增大，w越过1而变大。如果此结果得到进一步的证实，意义是非常重大的，它说明真空能，Quintessence，Phantom等文献中常用的模型不能解释数据。为此，我们提出了一个全新的暗能量理论，叫做Quintom。之后在国内外掀起了研究这一类暗能量模型的热潮。（4）弱引力透镜效应和SZ效应继承了过去在引力透镜效应研究工作上的优势，进一步探讨了利用引力透镜统计检验宇宙学模型和结构形成模型的可能性。详尽计算了SZ天空的弱引力透

15、镜畸变现象，发现宇宙大尺度结构的引力透镜行为对SZ的天空几乎没有影响，成功地解释了其成因。把暗物质晕的解析模型广泛地应用于引力透镜、X射线背景、SZ效应、星系计数等一系列问题的研究之中，研究了暗物质、气体、星系的分布和演化。（5）星系团（群）动力学性质在大样本研究方面，利用公开发表的X射线和光学资料，编辑了当时最大的（274个）X射线星系团和（66个）星系群表，以更高的置信度证实了星系团（群）内星系的速度弥散、热气体的温度、X射线光度等动力学性质的统计关系，与等级成团的结构形成理论比较，发现了偏离纯引力加热成团预测的重要证据，且在星系群尺度尤为突出。以此为基础，从理论上研究了非引力效应对星系团

16、（群）内气体演化的影响，发现辐射冷却可以导致星系团（群）的恒星物质比例、气体物质比例以及质光比对星系团（群）的尺度的依赖关系，与观测事实符合得很好,对星系形成与演化理论提供了约束条件。在典型天体精细研究方面，充分利用国外先进卫星Chandra、XMM和HST以及地面设备所取得的高分辨率观测数据，详尽研究了数个特殊星系团（MS 0839.9+2938, Cl J0152.7-1357）以及椭圆星系（N4636）的气体和暗物质分布、精确测量了其星际介质的温度和重元素含量, 对标准冷流模型及重元素的超新星产生机制提出了挑战。（6）实施宇宙第一缕曙光探测计划在973项目进行期间，WMAP卫星取得了重要

17、的发现：提示宇宙中第一代发光天体形成时期大约在红移620之间。我们及时地调整了研究计划，迅速转向该时期的研究和探讨建造直接观测该时期的21厘米波大型射电望远镜的可能性。从2003年夏季开始着手在新疆地区寻找台址，现已在天山深处2700米的高原地带建成了基线3公里3000面对数周期天线阵列并已经投入试验阶段的采集数据，成为国际舞台的强有力竞争者。2005年可望完成所有10241面天线的建设，预期几年内探测到宇宙诞生的第一颗恒星的第一缕曙光。3.2 宇宙大尺度结构与星系形成的理论和样本研究本课题除完成了课题任务书的各项任务外，而且还完成了任务书以外许多有关的研究。 “2000-2005年间发表论文

18、143篇，其中SCI刊物上共126篇，这些论文被SCI他人引用超过500次。国际特邀报告12次。宇宙结构形成的数值模拟研究获2005年度国家自然科学二等奖。（1） 星系和大尺度结构形成的数值模拟研究建立了具有高阶精度的宇宙多相流体动力学的WENO数值模拟程序，建立了自适应的宇宙学N体模拟程序和具有处理恒星演化能力的流体N体数值模拟程序。已应用于目前普遍关注的包括暗物质、辐射及重子等多相成分的复杂流体力学问题。特别是研究了宇宙重子物质的热状态及其红移演化，讨论了引力成团过程中激波对重子状态方程的影响和熵平台的形成，这将有助于我们理解重子和暗物质之间偏袒分布的起源、重子短缺问题及其Ly吸收云的物理

19、。取得了一组粒子数为5123（即1.34亿个粒子）和10243的高质量宇宙学N体数值模拟样本；一组2x106粒子的暗晕模拟；一组2x5123粒子的恒星、气体和暗物质的宇宙学模拟，首次成功地在宇宙学意义的体积内克服了“过度并合”的困难，能够把星系团的星系晕结构清楚地分辨出来，成为国际上质量最好、最全的宇宙学N体模拟样本，已被国内外同行用于构建SDSS模拟星表和2dF的模拟样本以开展有关研究。2004年，又建立了自适应的宇宙学N-体模拟程序，并开始了新一轮粒子数为10亿的高精度数值模拟。同时，利用PM-Tree方法，在中科院计算网络中心，开始了类似的高精度模拟计算。这一系列高速高分辨率的宇宙结构形

20、成的模拟程序和模拟样本完成，标志着我国的宇宙学N-体模拟水平已跃入国际领先行列。将上述这组模拟和以前的模拟数据应用到大尺度结构的统计中，研究了不同类型星系的大尺度分布性质，在星系形成、宇宙结构形成、宇宙暗物质等宇宙学前沿研究领域完成了一系列的研究工作，包括暗物质晕的内部结构、暗晕内部结构与暗晕形成历史之间的关系、暗物质和气体的角动量分布与盘星系的形成、星系形成的半解析模型、星系团的强引力透镜效应、宇宙大尺度结构弱引力透镜效应等，所发表的论文在国际上均有相当高的显示度，有力地推动了本学科研究的发展，如暗物质晕三轴椭球模型自2002年发表以来，已被广泛应用于小至星系结构、大至宇宙大尺度结构的观测和

21、理论研究，该单篇论文已被他人引用100余次，被国际同行誉为“在许多方面具有奠基意义的模型”（2）大尺度结构的统计分析研究 利用SDSS、2dF和PSCz等大型红移巡天观测样本，对星系的空间成团性质、红移空间星系分布的畸变性质、星系间的相对运动等进行了系统的统计分析。详细研究了这些物理量与星系本身观测性质（如光度、恒星质量、颜色）之间的关联，并发展了一套解释各类星系成团性质的星系占有数模型，由此测量到的暗晕内的星系占有数对于限制星系的形成、演化的模型有重要作用。所得到的关联关系许多在国际上属首次，如三点相关函数随光度的变化、速度弥散随光度、颜色、恒星质量的系统变化；由我们提出的星系占有数模型，已

22、被包括2dF、SDSS巡天组在内的多个红移巡天组用来解释星系的成团性质，并得到他们的高度评价。建立了基于分离小波变换的宇宙大尺度结构的统计方法，提出了小波功率谱的估计方法，并采用数值模拟样本对方法进行检验，其中特别考虑了巡天几何，抽样率，径向选择效应和红移畸变效应对功率谱估计的影响；并将该方法应用于Las Campanas 红移巡天样本及PSCz样本，并通过对模型的拟合，对几种典型冷暗物质模型中进行了讨论。该统计方法可用于我国大科学工程LAMOST的红移巡天数据的分析。（3） 星系和大尺度结构形成的半解析模型的研究对暗物质晕的并合历史和内部结构进行了数值模拟研究，发现暗物质晕的致密参量与其形成

23、历史之间的关系，建立了预言暗物质晕的内部结构的半解析模型。与其他模型比较，我们的模型不仅能预言中小质量暗物质晕的致密参量，而且还能很好地解释大质量暗物质晕的致密参量是一个常量的模拟结果。已被SCI他引50余次；结合自己的高分辨数值模拟，建立了独立的星系形成的半解析模型。与国际同类工作相比, 我们的模型具有能分辨次结构的优势，对部分物理过程如气体冷却和星系并合等给出了比以往模型更合理的描述；利用半解析模型，研究了银河系内部卫星星系的结构与中央星系形状之间的关系以及高红移红星系的形成问题。（4） 河外天体巡天观测研究利用我国60/90cm 施密特望远镜，对富星系团A2634、A556、A2255、

24、A168、A399、A401进行了多色测光，分析了团内各类成员星系的SED特征，并用来确定星系团的暗成员星系，使星系团成员的数目成倍增加，同时测定了星系团内部星系的光度函数，研究了这些团的结构和演化情况；并结合天文卫星Chandra的 X射线观测资料，详细研究了星系团子结构的并合过程，以及并合过程对星系形成的影响；利用该施密特望远镜的多色测光系统对一大批近邻星系团进行了观测，积累了大量的数据；处理并发表了其中多个星系团的多色测光数据，得到的SED已为NASA/IPAC Extragalactic Database收录；长期观测所积累的70个BATC巡天天区13、14或15色中带滤光片的多色测光

25、数据成为我国第一个CDS 和VizieR Service收录的天体物理数据，为国内外天文学家共享。33 星系层次的剧烈活动星系层次的剧烈活动主要包括在活动星系核和 暴中。世纪之交，活动星系核研究深入到最内层的三种结构中 中心黑洞、吸积盘和喷流，我们将其作为研究的主要目标,即“研究黑洞质量确定的方法；在吸积盘、喷流理论以及全波段辐射机制等方面取得较大进展；解释两类射电活动星系核差异的物理起因”。与此同时，随着 暴余辉的发现和 暴处于宇宙学距离的确认，我们将 暴研究目标集中在“阐明 暴理论及与宇宙学的关系”上。经过五年研究，全面达到预期目标，并在活动星系核与星系中恒星的关系和活动星系核间的相互作用

26、上超出目标得到一系列重要成果。通过国际合作，利用国内设备，参与VLBI观测，并作为PI多次获得VLBI项目。在项目执行期间共发表各类论文268篇，其中SCI论文246篇，引用约500次。国际特邀报告4次。获得国家自然科学奖二等奖一项，省部级自然科学一等奖三项。部分工作已得到国内外同行的广泛关注，并被一些权威人士在评述论文中引用。（1） 黑洞质量的确定发展了一系列确定中心黑洞质量的方法，建立了用OIII线宽作为星系核弥散标识量，研究了窄线Seyfert I型星系的核心速度弥散与黑洞质量的关系，更正了强射电活动星系核黑洞质量大的结论。用建立的在超Eddington吸积状态下黑洞质量的精确确定方法，

27、研究了宽线区半径与H 光度间的关系，从而更精确的确定射电活动星系核中心黑洞质量。还得到中心黑洞质量与金属丰度的关系并推测出超大质量黑洞的可能起因。（2） 发射线区的性质分析了SDSS（Sloan数字光谱巡天）包括海量（约30万）活动星系核光谱的样本，发展并应用主成份分析方法（PCA）和独立成分分析方法（ICA），有效地分离出星系连续谱、发射线（如活动星系核）和恒星成分，并保证恒星光谱强度和轮廓同时拟合。这不仅有利于研究低光度活动星系核，而且能在更高精度上研究核成分和恒星成分的关系，使研究活动星系核和星系共同演化进入更精确的阶段。据此发现了一批稀有的活动星系核和部分遮掩的类星体等。还可用恒星速度

28、弥散决定黑洞质量，与用活动星系核决定的质量对比，发现其吸积盘可能的两种模式（标准盘和ADAF盘）。利用中能X射线谱和紫外谱对比研究确定了宽吸收线类星体的气体柱密度。这不仅加深了对宽吸收线类星体的了解而且对类星体中非相对论外流的认识有关键性的作用。系统研究射电活动星系核喷流的特性，发现BL Lac天体吸积盘可能是标准盘和ADAF盘的混合，并推论出其中的演化序列。（3） 吸积盘和喷流理论在理论上，研究了吸积盘的新类型高吸积率的ADAF盘，并可解释相应的硬X射线谱。研究喷流特性，在存在磁场的吸积盘研究中，发现标准薄盘磁场无法加速产生观测到的喷流功率，论证了其可能形成在吸积盘的冕区。用喷流吸积盘耦和模

29、型研究了吸积盘对喷流形成的影响。研究了对星系并合现象极为重要的双黑洞理论，系统地研究了双黑洞演化过程中吸积盘类型的作用以及对吸积盘形态，喷流转轴的影响，并用以解释某些观测现象（如，X形态射电星系等）。从一类活动星系核Blazars的光变性质研究中发现一系列周期关系，以及光变与偏振间的关系。（4） VLBI观测多次作为PI申请甚长基线射电观测成功。除对强射电源和中介射电源进行深入细致观测获得新的螺旋形的喷流形态外，对为数极少的引力透镜天体进行了观测，还首次提出对宽吸收线类星体和窄线I型Seyfert星系进行了观测。（5） 暴的研究在星系高能现象的研究中，将 射线脉冲星外间隙模型发展到三维情形，并

30、合理解释了一系列观测现象。系统地建立和发展了致密介质中 暴余辉的自洽理论；以暴的光学余辉光变曲线明显变陡的观测为依据，提出这可能是由于激波在致密介质中从极相对论相演化到非相对论相，很好地拟合了该暴光学和X射线余辉的所有观测数据。合理地应用具有各向异性的喷流模型；用正反激波模型去解释暴的余辉性质。对暴的能量起源提出新的模型，即从中子星到奇异星的相变，这可解决暴研究中的重子污染问题。还按计划进入 暴宇宙学的领域。暴的余辉和能源机制的研究获国家自然科学二等奖。3.4 星系相互作用、并合和环境对星系形成的影响该组在研究中积极争取国外大型空间望远镜时间，充分利用大规模巡天计划归档资料开展研究，全面地完成了提出的研究目标。在项目执行期间，总计发表论文161篇。