利用强引力透镜概率测试 TeVeS 理论
宇宙中的暗物质
许久以前,天文学家便已发展出一套由亮度推算出质量的模式,也意外的发现星系的物质远比光学望远镜所观测到的多出许多。后来愈来愈多的研究也显示出同样的结论。依据星系运动模式,确实应该存在这么多的物质,否则这些恒星早就飞散了。天文学家知道星系是一个稳定且长达数十亿年以上的系统,必须有大量的物质才能束缚这些高速运动的恒星。这些应该存在的物质如此神秘,不会发出可见光、电波、X光等电磁波,也不是黑暗的星云。他们便是天文学家所称的暗物质。
在宇宙学中,我们只能通过引力产生的效应来确知宇宙中有大量暗物质的存在。暗物质存在最早的证据源自于 Zwicky(1933) 对后发座 (Coma) 星系团应用维里定理进行的研究。现代的天文学家通过引力透镜、宇宙中大尺度结构形成与微波背景辐射等研究,来了解暗物质。
任何挑战广义相对论的引力理论都必须要能够解释由大质量物体所引起的光线弯曲,即强引力透镜现象。而修正的牛顿动力学 (MOND) 无法正确地解释引力透镜的观测。在 2004 年 Bekenstein 发表了基于修正的牛顿动力学 (MOND) 的相对论版本,即张量向量标量理论(TeVeS),才在这点上获得了成功的论证。
测试 TeVeS 理论
中国科学院国家天文台的 陈大明博士,透过强引力透镜概率做为多像分离角的函数来检验 TeVes 理论。这个研究主要是在 TeVeS 理论框架下,理论预测宇宙中星系对遥远的背景类星体所产生的强引力透镜事件的概率,并和一个适合做统计分析的强引力透镜观测样本进行比较。这项研究的结论是,在星系尺度上,强引力透镜的观测支持TeVeS理论。在进行这样的研究时,陈博士需要自行编写 Fortran 语言程序,研究中用到的广义相对论及其他公式中,包含了许多的多重积分、微分方程、非线性参数拟合,曲线与曲面拟合。若是自行编写这些算法显然会是一件困难耗时的工作。
NAG 算法库提供的协助
陈博士早在上海天文台就读时,就已经接触到 NAG Fortran 算法库了,NAG 完整的函数功能,让他不论是在学习上或者后来的研究课题上都获得了相当大的帮助。
陈博士的研究一直持续的进行着。”原本我心想 NAG 算法库的函数就大概是念书时用到的那些吧,但是我发现 NAG 每隔一段时间就推出新的版本,而且提供的函数更是大幅的增加。”,陈博士接着说:”这些新增加的函数,让我的研究可以应用到更新的算法求解,也让程序的运行效能大大的提升了。”, “我现在用的计算环境是多核的机器,那时心想我并不是很孰悉并行程序设计,该怎么提高程序的运行效能呢?然而,NAG 多核算法库有着与 NAG Fortran 算法库相同的函数调用接口,我根本不需要做任何程序的修改,就可以完全用上 NAG 的多核算法库了,更重要的是,在数值计算上,我现在可以进行并行计算了。”
NAG 算法库除了持续增加函数外,也实时的提供新操作系统与新编译器版本的支持,当然对多核计算的支持,更是未来 NAG 算法库开发的重点。目前 NAG 多核算法库已经提供超过 600 多个支持多核并行计算的函数。
在提到 NAG 多核算法库带给陈博士的研究贡献时,陈博士特别提到:”NAG 算法库有详细的说明文件,完整的函数、容易调用的函数设计,更重要的是它的计算结果值得信赖。我从不担心它是否会计算出正确的结果,这在我们从事研究的人来说,是最重要的事。”
未来的研究
在做完了这个研究课题后,陈博士持续的进行下一阶段的天文研究。毋庸置疑的,他将持续使用 NAG 多核算法库。”我可以专注在研究中,至于复杂的数学计算,有 NAG 算法库就够了。”陈博士兴奋的表示。
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