CSST高精度宇宙学仿真器：为暗物质暗能量研究提供新工具

《Science China-Physics Mechanics & Astronomy》：Accurate cosmological emulators for CSST

随着宇宙学观测进入"第四阶段巡天"，中国空间站巡天望远镜（CSST）面临高精度理论预测的挑战。本研究通过构建包含129个高分辨率模拟的仿真框架，实现了非线性物质功率谱k≤10h Mpc-1、z≤2范围内1%精度的预测，以及晕质量函数最高2%精度的模拟。该系列研究为CSST数据解析提供了可靠的理论基础，相关成果发表于《Science China Physics, Mechanics & Astronomy》。

　　

随着天文观测技术的飞速发展，人类对宇宙的探索正迈入一个全新的阶段——"第四阶段巡天"（Stage IV surveys）。这一阶段的观测设备将产生前所未有的海量数据，有望在暗物质、暗能量、中微子性质以及引力规律等基础物理问题上取得突破性进展。然而，要实现这些科学目标，研究人员必须攻克一系列技术难题，其中最关键的是如何精确预测不同宇宙学参数下各类观测量的理论值。

传统数值模拟方法虽然精度较高，但计算成本巨大，难以满足大规模巡天数据快速分析的需求。特别是对于中国空间站巡天望远镜（CSST）这样的新一代观测设备，亟需开发既高效又精确的理论预测工具。在这一背景下，范祖辉团队在《Science China Physics, Mechanics & Astronomy》上发表了一系列研究成果，构建了专门针对CSST的高精度宇宙学仿真器。

研究团队通过创新性的技术方法解决了这一挑战。他们基于129个高分辨率宇宙学模拟，这些模拟在八维参数空间中采样，每个模拟采用1h^-1 Gpc的盒子和3072³个粒子。针对中微子效应和宇宙方差，研究团队开发了有效的模拟处理方法，并通过构建最优的仿真量，实现了高效且精确的理论预测。

非线性物质功率谱仿真器

通过系统测试表明，该仿真器在波数k≤10h Mpc^-1、红移z≤2的范围内，对非线性物质功率谱的预测精度达到1%。这一性能优于或至少与当前领域内知名的EuclidEmulator2和Mira-Titan IV仿真器相当，完全满足CSST的精度要求。

晕质量函数仿真器

研究团队创新性地采用累积晕质量函数来有效消除分箱效应，使得在不同质量范围内都能保持高精度：对于M≤10¹³h^-1M_⊙、≤10¹⁴h^-1M_⊙和≤10¹⁵h^-1M_⊙的晕质量，预测精度分别达到2%、5%和10%。该方法的一个显著优势是适用于任何晕质量定义方案。

星系成团性预测的混合方法

研究提出了一种混合拉格朗日偏差展开仿真方案，将拉格朗日偏差展开与模拟中粒子位移的动力学演化相结合。与传统微扰计算相比，这种方法能够提供更准确的成团性信息，为星系分布研究提供了新的技术途径。

这一系列研究为利用CSST数据进行高精度宇宙学分析奠定了坚实的理论基础。仿真器策略可以轻松扩展到更复杂的统计量观测值，而且通过加入适当的物理描述，还可以在后期处理中纳入重子效应，从而实现对这类物理系统影响的仿真。

研究的重要意义在于，它不仅为CSST提供了可靠的理论支持，更重要的是建立了一套可扩展的仿真器框架体系。该框架能够适应未来更复杂的物理模型和更精细的观测需求，为解开暗物质、暗能量等宇宙学谜题提供了强有力的工具。随着CSST观测数据的不断积累，这些仿真器将在数据解析、系统误差控制和物理规律探索中发挥关键作用，推动宇宙学研究的深入发展。