项目结题总结报告

1《国家重点基础研究发展规划》项目结题验收材料（一）项目结题总结报告项目名称：21世纪天体物理重大问题：星系形成与演化项目编号：G1999075400起止年限：2000年—2005年项目负责人：陈建生院士联系地址：北京朝阳区大屯路甲20号，邮编100012中国科学院国家天文台主要承担单位：中科院国家天文台中科院高能物理所中国科技大学天津师范大学中科院紫金山天文台南京大学中科院上海天文台项目依托单位：中国科学院中华人民共和国科学技术部制二〇〇五年十月21．项目结题基本信息表表一973计划项目结题基本信息表项目编号：TG1999075400项目名称二十一世纪天体物理重大问题：星系形成与演化起止年月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中国科学院参加人员总数62第一承担单位中国科学院国家天文台承担单位数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起止年月G1999075401宇宙学模型武向平张新民中科院国家天文台中科院高能物理所2000.9-2005.8G1999075402宇宙大尺度结构与星系形成的理论和样本研究陈建生景益鹏中科院国家天文台中科院上海天文台2000.9-2005.8G1999075403星系层次的剧烈活动现象周又元戴子高中国科技大学南京大学2000.9-2005.8G1999075404星系相互作用、并合和环境对星系形成的影响夏晓阳天津师范大学国家天文台2000.9-2005.8G1999075405星系中的恒星形成与演化杨戟李向东中科院紫金山天文台南京大学2000.9-2005.8G1999075406星系结构与动力学束成钢赵刚中科院国家天文台中科院上海天文台2000.9-2005.832．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?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4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：Ωｍ、Ωｏ、Λ、Ｈo等;同时从理论上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5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6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）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7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（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