中心“宇宙学数值模拟数据库”助力星系微引力透镜模拟研究

中心“宇宙学数值模拟数据库”助力星系微引力透镜模拟研究

作者: NBSDC 文章来源: 国家基础学科公共科学数据中心 更新时间: 2023-09-22

       近日，国家基础学科公共科学数据中心（简称“国家基础数据中心”）“宇宙学数值模拟数据库”助力星系微引力透镜模拟研究，两篇相关论文已在天文期刊上发表。论文第一作者均为紫金山天文台博士研究生郑文雯，相关成果的研究都得到了国家基础数据中心“宇宙学数值模拟数据库”项目的支持。研究人员通过运用数据库的数值仿真数据完成了对新方法的闭环检验，并得到了审稿专家的认可，作者在论文中也给予致谢“We also acknowledge the cosmology simulation database (NBSDC-DB-10) in the National Basic Science Data Center (NBSDC).”两位作者第二单位均为“国家基础学科公共科学数据中心”。

       其中论文《Theoretical Analysis of Random Scattering Induced by Microlensing》发表在天文期刊《Research in Astronomy and Astrophysics》杂志上，论文链接：https://ui.adsabs.harvard.edu/abs/2023RAA....23h5011Z/abstract。论文《An Improved GPU-based Ray-shooting Code for Gravitational Microlensing》发表在《The Astrophysical Journal》杂志上，论文链接：https://ui.adsabs.harvard.edu/abs/2022ApJ...931..114Z/abstract。

图1   微引力透镜示意图

       星系微引力透镜效应是指引力透镜星系或星系团中恒星级质量的天体对光线造成局部偏折，使得强透镜多像系统中的像进一步分裂，产生可观测的流量变化。该效应广泛存在于各类强透镜多重像系统中，与强透镜效应相叠加，微透镜效应成为一架天然“望远镜”，使得我们能够对类星体内部结构的尺寸做出限制，甚至观测到遥远的高红移恒星并了解其物理性质，同时还能让我们对透镜星系或星系团中的微透镜与暗物质比例，以及微透镜天体的质量分布有更深的理解。

       星系微引力透镜的研究核心之一是模拟微透镜效应产生的源平面放大率分布。最普遍的放大率分布图模拟算法是光线追踪算法，但该算法极度消耗计算资源，必须对其进行优化才可以应用在科研工作中。

       中国科学院紫金山天文台的研究人员（郑文雯博士，李国亮研究员）发展出了一套精确且高效的生成微透镜放大率分布图的程序：GPU-PMO（GPU-Parallel Microlensing Optimizer），该算法有三个特点：首先，针对透镜平面进行优化，用长方形的透镜平面取代了通常用的圆形透镜平面，初步减少了参与计算的微透镜数目，并且为后续的三级网格划分提供了便利。其次，将透镜/像平面划分成三级网格，运用一个简化的等级树算法对透镜数目进行优化。最后，该程序几乎百分之九十以上的计算都在 GPU 上进行，最大程度的发挥了GPU的并行潜力。该算法在维持较好精度的情况下，计算速度上比同类型的 GPU-D 程序快了两个量级，为后续遍历参数空间的大量模拟工作奠定了基础。

图2 GPU-PMO程序的流程图和运行出的放大率分布图示例

图3    GPU-PMO程序与GPU-D程序的耗时及精度比较

（从该图可看出，GPU-PMO程序在速度上总体可以比GPU-D程序快两个量级，同时在精度上也优于GPU-D程序）

       之后研究人员（郑文雯，李国亮等）探究了微透镜引起的偏折角的概率分布，对前人广泛使用的偏折角概率密度积分式进行了几项改进。首先，使用更为合适的假设重新计算了该积分式，将其中的系数从 3.05 更新为 1.454，使其与模拟结果符合的更好。其次，推导出了该积分式的拟合公式，它可在一定的精度范围内替代其积分表示，以便于直接且较为准确地计算偏折角概率密度分布。最后，为了方便后续的理论计算，又为该拟合式找到了一个更适用的高斯近似公式。以上研究为后续解析的探究微引力透镜效应做了铺垫。

图4     不同数目的微透镜产生的偏折角分布

（实线表示模拟结果，左右图虚线分别表示修正前和修正后的偏折角概率密度分布的积分式的数值积分结果，该图表明，修正后的积分式与模拟结果符合的更好）