宇宙学是研究宇宙起源和演化的学科。近年来随着天文观测和理论的快速发展,宇宙学参数已经得到非常精确的测定,宇宙学研究进入了黄金时代。宇宙大尺度结构是宇宙学研究的重要前沿领域,主要是通过多波段巡天测绘不同时期宇宙的物质结构来研究宇宙结构形成和时间演化,从而揭示宇宙的物质组成成分以及宇宙演化物理过程、暗物质、暗能量本质等宇宙学重要问题。同时,星系作为宇宙学研究的基本观测载体,理解其形成和演化以及其性质与环境的关系,是研究宇宙大尺度结构不可或缺的一个部分。宇宙大尺度结构研究是近20年国际天文学最为活跃、成果最突出的领域。

在天文观测方面,宇宙大尺度结构研究需要借助多波段观测来提供大天区、深视场的巡天数据。在理论方面,目前越来越依赖于计算机模拟来理解其中的非线性复杂物理现象。该领域最近10年的主要研究热点如下。

（1）宇宙微波背景辐射

宇宙微波背景辐射（cosmic microwave background, CMB）是宇宙大爆炸热辐射的最后散射面,是我们能够观测到的最遥远的电磁辐射。CMB蕴含宇宙主要组成成分信息、宇宙的演化和宇宙结构增长的原初种子等,是建立现代宇宙学模型的基石之一。自1990年代以来,先后有3颗卫星COBE、WMAP、PLANCK用于测量CMB信号,获得的重要成果两次得到诺贝尔奖。结合其他观测,目前CMB已经在80个sigma的置信度上确认宇宙是平坦的,其对宇宙学参数限制也达到了前所未有的精度。此外,最近对CMB的B模式极化测量实验的推动,有望探测到原初引力波并对宇宙暴胀理论做出强限制。

（2）重子声波震荡

重子声波震荡（baryon acoustic oscillations, BAO）是指声波在重子与光子退耦前的传播而导致重子物质在—定尺度上产生的成团遗迹。此遗迹在今天可以通过宇宙微波背景辐射以及星系的成团性探测到。其在共动尺度上大约在150 Mpc, 不随时间变化,因而可作为宇宙的标准尺。通过测量不同红移处的BAO , 可以限制宇宙膨胀速度,从而帮助我们理解暗能量的本质。自斯隆数字巡天（SDSS）和2df结果公布以来,BAO测量已经成为研究宇观尺度结构的主要方法之一,目前其对宇宙学参数的测定已经可以精确到1%的量级。

（3）暗物质本质

现代宇宙学表明,宇宙是由暗物质、暗能量主导的,重子物质只占非常小的比分。但暗物质究竟是什么,我们还一无所知。另外,其宏观物理属性是“冷”还是“热”也存在争议。虽然冷暗物质模型在解释诸多观测方面已经取得了成功,但在解释银河系卫星星系等小尺度观测方面还有很多争议。目前,Ly-alpha森林的观测已经比较令入信服地排除了暗物质是“热”的这—选择,但是并不能排除其是“温”的（质量约几个kev）。通过比较类银河系数值模拟和银河系天文观测,有望确定暗物质属性。然而,我们对千超新星反馈对暗物质分布的影响程度还不清楚,深入的研究一直在进行。

（4）暗晕的结构和演化

暗物质晕是宇宙结构组成的基本单元,一方面其聚集了宇宙中大部分的暗物质质量;另一方面,可见的星系是在暗晕中心形成的,因此研究暗晕本身的结构和增长具有非常重要的意义。暗晕的形成及演化是高度非线性过程,研究手段通常需要借助高精度数值模拟。目前,通过数值模拟研究暗晕结构增长及其随时间演化仍然是一个热点。另外,也有诸多研究人员投入到比较数值模拟和引力透镜等天文观测中,目的是限制星系形成理论和宇宙学模型。

（5）暗晕和星系的关系

星系是宇宙学观测的基本载体,其形成和演化与暗晕的形成和演化密切相关。因此,理解星系与暗晕之间的关联对于理解和揭示星系示踪的大尺度结构至关重要。最近几年,发展了包括“丰度匹配"（abundance matching）和暗晕占有数模型（halo occupation distribution, HOD）等维象模型,建立了有效的暗晕与星系之间的关系,推动了我们对宇宙大尺度结构演化的理解。

（6）星系形成

星系形成的过程十分复杂,涉及诸多非线性耗散过程,所以在理论研究方面必须依靠宇宙学数值模拟。目前的宇宙学数值模拟已经能够恢复宇宙学框架下的诸多关于星系的基本统计性质,例如：星系恒星质量函数、红蓝星系比分、星系空间分布和随时间的演化等。在天文观测方面,近年来数个大型巡天提供了一系列高质量多波段、大天区、深市场的数据,为理解宇宙学框架下的星系形成提供了更多且更细致的限制。而在数值模拟上,近几年包含全天体物理过程的宇宙学流体力学模拟取得非常大的进展,星系形成数值模拟研究目前进入了一个新的纪元。

（7）星系团

星系团是宇宙中最大的结构,其数密度及其演化对宇宙学参数都非常的敏感。另外,星系团孕有宇宙中最古老的结构,研究其性质可以帮助了解宇宙早期的演化。通过各种手段寻找星系团,例如SZ效应、X-ray观测、成员星系搜寻和计数等等,也是星系团研究的一个热点。

（8）银河系

我们居住的银河系是观测最细致的天体,大部分关于暗物质属性的研究都是通过比较银河系观测资料和数值模拟来进行的。因此银河系的研究对于理解星系和宇宙结构形成至关重要。

通过以下3组文献计量学统计数据,可以评估中国在宇宙大尺度研究领域中的国际地位：2005–2014年,论文发表数量从2005年的54篇增加到2014年的203篇,被引频次从2005年的1 815次提高到2014年的2 715次,高被引论文从2005年的1篇提高到2014年的8篇,保持在国际前20名。但是我们也要看到自己的不足,虽然纵向比较中我们的论文数量和被引频次都有所提高,但是两者在国际上的排名都没有提升,在此领域的中国科学家还需加倍努力才能缩短与世界一流国家的差距。

10年来,在研究人员的不懈努力下,我们在一些研究方向上取得了有影响力的工作成果,发表了一系列高显示度的文章。银河系质量的精确测定在宇宙学大尺度结构研究上有重要意义,2008年中国科学院国家天文台的薛香香利用蓝水平支恒星作为示踪体限定了银河系的动力学质量; 2005年、2007年中国科学院上海天文台的杨小虎发展了一套新的星系团的寻找方法,并先后将其运用到暗晕与星系关系以及星系的条件质量/光度函数研究中;2008年中国科学院上海天文台张鹏杰领导的团队发现,可以用度量势和密度扰动的观测效应来区分修改引力和暗能量模型;2009年中国科学院上海天文台的赵东海发展了一套描述不同宇宙学模型下暗晕增长和内部结构演化的模型;2009年中国科学院上海天文台李成利用SDSS数据统计了当时最为完备的近邻宇宙的恒星质量函数;2010年中国科学院上海天文台沈俊太利用BRAVA数据分析了其恒星动力学,指出银河系核球是盘的一部分,而不是通常认为的星系并合导致的;理解银河系的形成是理解宇宙形成的重要部分,中国科学院国家天文台主导的LAMOST望远镜建设正是以此为主要科学目标,2012年中国科学院国家天文台赵刚和邓理才综述该项目的设计和科学目标;la型超新星被认为是标准尺,是距离测量的重要手段,因此对宇宙学研究非常重要,2012年中国科学院云南天文台王博综述了la型超新星的前身星理论以及相应的观测限制;2012年中国科学院上海天文台杨小虎考虑了暗晕的形成历史和卫星星系的后期演化,发展了一个跨越z=4到z=0的新的暗晕-星系的关系模型; 2012年中国科学院国家天文台王杰研究了银河系动力学质量对其卫星星系性质的影响,有助于缓解银河系矮星系内部密度和理论不相符问题; 2012年中国科学院国家天文台高亮完成了世界上精度最高的星系团数值模拟,并分析其结构和演化; 2013年中国科学院国家天文台郭琦利用高精度的数值模拟建立了目前世界上最大、最完备的模拟星表,并分析了不同宇宙学参数下星系的特性,该星表在业内得到广泛应用;2013年北京大学苑海波完成了银河系中几千颗恒星的多波段尘埃消光测量,并提供了一套新的多波段的消光参数。

展望未来,随着国际上地面以及空间上的数个下一代大型观测项目的实施,天文观测将朝向观测更深远的天体、观测天区更广以及观测到更精细天体结构的方向发展。届时,宇宙大尺度结构研究也必然会掀起一个新的高潮。2018年升空的James Webb空间望远镜将可能会让人类追溯到宇宙最早期的天体;未来平方公里阵望远镜-SKA将会揭示人类宇宙历史认识的空白时期——宇宙再电离过程。而随着LSST、DESI、EUCLID等未来国际重点宽视场巡天项目的开展,我们将有望在宇宙学声波震荡、宇宙增长因子、暗能量限制等重要领域取得突破性进展。新一代地面自适应光学巨大口径望远镜的落成,例如：美国主导的30 m望远镜（TMT）和GMT , 欧洲甚大望远镜E-ELT等,将会导致在天体光谱精度测量上得到巨大提升,必将在星系形成等精细天体物理过程研究方面取得突破。欧空局新一代高精度天体测量卫星Gaia投入实际观测,将会对银河系3维结构进行全方位的绘制,揭示银河系的组分、形成和演化历史等等。同时,随着超级计算机的发展以及我们对天体物理过程理解的进展,宇宙大尺度数值模拟研究也必然会进入新的时代,未来领先宇宙学数值模拟将会同时具有高精度、大体积以及包含更全面天体物理过程等特点,因而将提供更多的物理信息来精确阐释天文观测,并理解我们居住的宇宙的形成演化历史。

值得欣慰的是,中国天文学自主建设的数个大科学工程将在今后数年进入收获阶段。LAMOST对银河系百万颗恒星的光谱测量和GAIA数据形成优势互补,将对揭示银河系3维结构做出重要贡献;贵州500 m射电望远镜的落成,将会揭示临近宇宙的中性氢分布。另外,中国目前正在发展的空间望远镜,将在研究宇宙大尺度方面成为国际上EUCLID空间望远镜项目强有力的竞争者。如果正在规划中的12 m望远镜项目得到落实,必将大大提升中国观测星系形成领域的研究实力,并培养和聚集这一重要前沿领域的力量。

另一个值得欣慰的事实是中国天文学家目前正越来越积极地参与到国际主流重大科学合作中。例如：中国已经正式加入了国际SKA项目,正在积极推进加入TMT ; 一些天文学家自主加入了SDSS第四期、PFS、DESI等大型国际巡天项目,并正在考虑参与LSST项目等等。这些国际合作与努力也必将十分有利于中国宇宙学大尺度结构研究的进步。