近日，由我校物理與天文學(xué)院2016級本科生張震宇、顧淦、王小馬同學(xué)等完成的《Non-parametric dark energy reconstruction using the tomographic Alcock-Paczynski test》一文，被國際天體物理雜志The Astrophysical Journal（簡稱ApJ）接收發(fā)表。論文第一作者為張震宇同學(xué)，通訊作者為物理與天文學(xué)院李霄棟副教授。
論文中，三位學(xué)生學(xué)習(xí)了李霄棟副教授等人于2014年提出的tomographic Alcock-Paczynski方法（以下簡稱“切片AP方法”），用來限制暗能量參數(shù)。“切片AP方法”是一種分析巡天數(shù)據(jù)的方法。簡言之，科學(xué)家在獲得星系巡天數(shù)據(jù)后，需要嘗試采用特定的宇宙學(xué)參數(shù)（如暗能量比例、狀態(tài)方程w等）才能重構(gòu)出物質(zhì)3維分布；當(dāng)所嘗試的參數(shù)與真實(shí)宇宙的參數(shù)有偏差時(shí)，重構(gòu)出的結(jié)果就會出現(xiàn)異常，具體表現(xiàn)為“隨紅移變化的徑向-角向不對稱性”。“切片AP方法”利用這一現(xiàn)象檢驗(yàn)宇宙學(xué)理論，認(rèn)為能做到“隨紅移演化的不對稱性最小”的理論參數(shù)是最接近真實(shí)的。該方法于2016年應(yīng)用到SDSS巡天時(shí)獲得了當(dāng)時(shí)最強(qiáng)的暗能量參數(shù)限制。
論文還采用了“非參數(shù)化”的統(tǒng)計(jì)方法來重構(gòu)暗能量狀態(tài)方程w。一般地，人們進(jìn)行物理量的擬合回歸時(shí)，都要假定它具有某種特定的形式（如線性、多項(xiàng)式、指數(shù)、正弦震蕩等），這些先驗(yàn)的假定就給擬合回歸帶來了模型依賴的局限性。“非參數(shù)化”方法是一種克服這種局限性的技術(shù)，能得到不依賴具體數(shù)學(xué)函數(shù)模型的一般性結(jié)果。2017年國家天文臺趙公博研究員等在頂級期刊Nature Astronomy發(fā)表了一篇著名的暗能量重構(gòu)文章，就采用了這種方法。
使用“切片AP”與“非參數(shù)化”分析方法得到的暗能量狀態(tài)方程w限制結(jié)果。相比傳統(tǒng)的分析方法結(jié)果（紅色區(qū)
域），加入“切片AP”方法的結(jié)果（藍(lán)色區(qū)域）把低紅移的精度提高了一倍，并呈現(xiàn)出“動力學(xué)暗能量”（w不是常數(shù)）的微弱信號。
在李霄棟副教授的指導(dǎo)下，張震宇等三位本科生先是學(xué)習(xí)了“切片AP”巡天數(shù)據(jù)分析方法，隨后又學(xué)習(xí)了“非參數(shù)化”的參數(shù)擬合回歸方法，最后再將兩者結(jié)合在一起，得到關(guān)于暗能量的最新限制。該研究工作得到了東北大學(xué)李云鶴老師的有力支持。李云鶴老師仔細(xì)研究文獻(xiàn)，自主開發(fā)了一套非參數(shù)化擬合回歸的Fortran程序。張震宇等隨后將“非參數(shù)化”程序與“分層AP”程序調(diào)試好、對接到名為“cosmomc”的宇宙學(xué)參數(shù)擬合國際通用程序。對接完畢后，學(xué)生們作了一系列運(yùn)行測試，確保結(jié)果準(zhǔn)確可靠。最終，大家得到如下結(jié)論：將切片AP方法應(yīng)用于非參數(shù)化的暗能量重構(gòu)，能將z<0 .7的低紅移區(qū)間的暗能量狀態(tài)方程參數(shù)限制提高一倍，并在該區(qū)間呈現(xiàn)出微弱的動力學(xué)暗能量信號（見上圖）。這一結(jié)果非常理想，而為獲得這一結(jié)果，張震宇等同學(xué)在學(xué)習(xí)之余密集地工作了整整一個(gè)學(xué)期。
文章投稿后，審稿人認(rèn)為論文的結(jié)果“很有趣”，但卻針對論文的技術(shù)細(xì)節(jié)提了5個(gè)問題，盤問系統(tǒng)誤差的處理細(xì)節(jié)，還要求補(bǔ)做一個(gè)“輸入-輸出”檢驗(yàn)來論證分析流程的準(zhǔn)確性。這些問題的提問非常專業(yè)，回答起來有相當(dāng)?shù)碾y度。在又經(jīng)過了三個(gè)多月的辛苦工作之后，張震宇等人最終成功得到了審稿人要求的結(jié)果，完成了對審稿意見回復(fù)，一周后，文章被ApJ接受發(fā)表。
論文鏈接：https://iopscience.iop.org/article/10.3847/1538-4357/ab1ea4
