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本科生掀起“科研热”?该校本科生连发SCI其中

更新时间:2019-10-08

  近些年,本科生掀起“科研热”,一些很年轻的本科生,因不断产出优秀科研成果,也开始在学术界崭露头角。

  根据爱因斯坦广义相对论,光子经过有质量的物体时波长会被拉长,这个现象被称为引力红移现象。使用现有的Ia型超新星数据,有研究表明,地球附近的引力场(指与银河系较近的星系)产生的引力红移会对宇宙学参数的限制产生显著影响。但是,这一显著影响是因为如果使用超新星数据,宇宙学参数之间会有较强的简并,如果其他数据(如大尺度结构、宇宙微波背景辐射)和超新星数据一起来限制宇宙学参数,地球附近引力场的影响对于宇宙学参数就变得可以忽略。可是,随着未来对于超新星的观测愈加精确,这一效应可能会被放大。带着这个问题,徐昊霆等一行四人计算了对于未来的超新星观测这一效应会被放大到什么程度。计算表明,地球附近的引力场不会对宇宙学参数的限制产生显著影响。

  在标准宇宙学模型中,宇宙由暗物质、暗能量和重子物质组成。但目前人们依旧不清楚暗能量的本质究竟是什么。如果暗能量是一个最小耦合或者弱耦合的标量场,那么空间曲率将影响它的动力学演化,导致它的状态方程和空间曲率之间产生关联,而文献中的所有工作都是把暗能量的状态方程和空间曲率作为独立的参数分开研究,这会不会导致一些偏差呢?带着这个问题,徐昊霆和刘珍洁在本科生导师黄志琦教授指导下开展研究,利用即将到来的大尺度结构观测项目对暗能量的状态方程和空间曲率参数值进行预测,他们发现空间曲率对暗能量状态方程的影响并不大,至少在未来的十余年内暂时忽略两者之间的理论关联不会导致任何明显的偏差。

  上图说明:对于不同的宇宙学模型(其中一种模型考虑了暗能量状态方程对于空间曲率的依赖),考虑未来Euclid+LSST+WFIRST观测项目的数据,给出的宇宙学参数限制。

  这篇论文是物理与天文学院第一篇本科生论文,具有里程碑意义。徐昊霆、刘珍洁同学能在ApJ发表论文,正是该院本科生导师制实施以来的一大成果。在导师们的带领下,许多学有余力的本科生都积极投身早期科研之中,很好地培养了科研能力和科学素养。

  1998年,科学家发现宇宙在加速膨胀,意味着宇宙中存在着一种称为“暗能量”的组分,具有排斥的特性、占据全宇宙能量的70%。弄清楚神秘暗能量的本质,已成为当今天文界乃至整个物理学界最重大的问题之一。宇宙学家正试图通过大规模、多手段的巡天观测,以及精巧、无偏差的数据分析方法,获得尽可能多的关于暗能量的信息。

  本论文中,三位学生学习了李霄栋副教授等人于2014年提出的tomographic Alcock-Paczynski方法(以下简称“切片AP方法”),用来限制暗能量参数。“切片AP方法”是一种分析巡天数据的方法。简言之,科学家在获得星系巡天数据后,需要尝试采用特定的宇宙学参数(如暗能量比例、状态方程w等)才能重构出物质3维分布;当所尝试的参数与真实宇宙的参数有偏差时,重构出的结果就会出现异常,具体表现为“随红移变化的径向-角向不对称性”。“切片AP方法”利用这一现象检验宇宙学理论,认为能做到“随红移演化的不对称性最小”的理论参数是最接近线年应用到SDSS巡天时获得了当时最强的暗能量参数限制。

  论文还采用了“非参数化”的统计方法来重构暗能量状态方程w。一般地,45858.com,人们进行物理量的拟合回归时,都要假定它具有某种特定的形式(如线性、多项式、指数、正弦震荡等),这些先验的假定就给拟合回归带来了模型依赖的局限性。“非参数化”方法是一种克服这种局限性的技术,能得到不依赖具体数学函数模型的一般性结果。2017年国家天文台赵公博研究员等在顶级期刊《Nature Astronomy》发表了一篇著名的暗能量重构文章,就是采用了这种方法。

  在李霄栋副教授的指导下,张震宇等三位本科生先是学习了“切片AP”巡天数据分析方法,随后又学习了“非参数化”的参数拟合回归方法,最后再将两者结合在一起,并得到关于暗能量的最新限制。该工作得到了东北大学李云鹤老师的有力支持。李云鹤老师仔细研究文献,自主开发了一套非参数化拟合回归的Fortran程序。张震宇等随后将“非参数化”程序与“分层AP”程序调试好、对接到名为“cosmomc”的宇宙学参数拟合国际通用程序。对接完毕后,学生们作了一系列运行测试,确保结果准确可靠。最终,大家得到如下结论:将切片AP方法应用于非参数化的暗能量重构,能将z0.7的低红移区间的暗能量状态方程参数限制提高一倍,并在该区间呈现出微弱的动力学暗能量信号(见图一)。这一结果相当理想,而为获得这一结果,张震宇等同学在学习之余密集地工作了整整一个学期。

  图一:使用“切片AP”与“非参数化”分析方法得到的暗能量状态方程w限制结果。相比传统的分析方法结果(红色区域),加入“切片AP”方法的结果(蓝色区域)把低红移的精度提高了一倍,并呈现出“动力学暗能量”(w不是常数)的微弱信号。

  文章投稿后,审稿人认为论文的结果“很有趣”,但却针对论文的技术细节提了5个问题,盘问系统误差的处理细节,还要求补做一个“输入-输出”检验来论证分析流程的准确性。这些问题的提问非常专业,回答起来有相当的难度。在又经过了三个多月的辛苦工作之后,张震宇等人最终成功得到了审稿人要求的结果,完成了对审稿意见回复。之后只等了一周,文章就被ApJ接受发表了。

  《The Astrophysical Journal》是天体物理领域的国际顶级学术期刊之一,由美国天文协会(American Astronomical Society, AAS)主办,2018年影响因子为5.551,在中科院SCI分区中属于1区TOP期刊。本篇论文是该院第2篇本科生一作的SCI期刊论文,距离我院2017级学生徐昊霆、刘珍洁同学在ApJ发表论文仅一个月,是该院本科生导师制实施以来的又一成果。论文的发表,充分说明了该院本科生具备相当的科研创新与动手能力。返回搜狐,查看更多