[論文レビュー] COSMOGRAIL: the COSmological MOnitoring of GRAvItational Lenses XIV. Time delay of the doubly lensed quasar SDSS J1001+5027

Sushil Kumar, M. Tewes+9 more|arXiv (Cornell University)|Jun 21, 2013

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena参考文献 9被引用数 33

ひとこと要約

本論文では、COSMOGRAILモニタリングキャンペーンから得られた443本のRバンド光曲線を用いて、二重にレンズ効果を受けるクェザーSDSS J1001+5027の時間遅れを高精度で測定した。時間遅れ推定手法を4つ独立して組み合わせた結果——うち1つは外部変動をモデル化する新規手法であり、もう1つは盲目的なガウス過程解析——を用い、最終的な時間遅れはΔt_AB = −119.3 ± 3.3日（画像Aが画像Bをリード）であり、系統誤差を含めた相対誤差は2.8%に相当する。

ABSTRACT

This paper presents optical R-band light curves and the time delay of the doubly imaged gravitationally lensed quasar SDSS J1001+5027 at a redshift of 1.838. We have observed this target for more than six years, between March 2005 and July 2011, using the 1.2-m Mercator Telescope, the 1.5-m telescope of the Maidanak Observatory, and the 2-m Himalayan Chandra Telescope. Our resulting light curves are composed of 443 independent epochs, and show strong intrinsic quasar variability, with an amplitude of the order of 0.2 magnitudes. From this data, we measure the time delay using five different methods, all relying on distinct approaches. One of these techniques is a new development presented in this paper. All our time-delay measurements are perfectly compatible. By combining them, we conclude that image A is leading B by 119.3 +/- 3.3 days (1 sigma, 2.8% uncertainty), including systematic errors. It has been shown recently that such accurate time-delay measurements offer a highly complementary probe of dark energy and spatial curvature, as they independently constrain the Hubble constant. The next mandatory step towards using SDSS J1001+5027 in this context will be the measurement of the velocity dispersion of the lensing galaxy, in combination with deep Hubble Space Telescope imaging.

研究の動機と目的

• 長期間の光度測定を用いて、重力レンズ効果を受けるクェザーSDSS J1001+5027の2つの像間の時間遅れを高精度で測定すること。
• 外部変動や系統誤差の影響を受ける状況において、さまざまな時間遅れ推定手法の頑健性を評価すること。
• 多様な手法から得られた独立した時間遅れ測定値を統合し、系統誤差が小さい信頼性の高い推定値を得ること。
• 特に強力レンズ効果を用いたH₀およびΩₖの制約を行う宇宙論的モデル化に使用可能な高精度な時間遅れを提供すること。
• ガウス過程に基づく手法を盲目的に適用した結果の整合性を検証すること。

提案手法

• 2004年から2011年までに、地上望遠鏡3台（2.0-m Himalayan Chandra Telescope、1.5-m AZT-22、1.2-m Mercator Telescope）を用いて、SDSS J1001+5027の443本のRバンド光度観測を取得した。
• Tewesら（2013a）の手法に加え、外部変動を滑らかな差分光曲線を用いてモデル化する新規手法を含む、4種類の異なる時間遅れ推定手法を適用した。
• Hojjatiら（2013）の盲目的なガウス過程ベースの手法を独立して適用し、他の結果を事前に知らずに適用することで、手法の独立性を検証した。
• 各手法について、ランダム誤差と系統誤差の両方を評価し、系統誤差は相違手法間の比較と整合性チェックを通じて評価した。
• 分散様手法は系統誤差が支配的であることが判明したため、最終的な平均から除外し、残りの4つの一貫性のある結果の平均を用いて組み合わせ推定値を計算した。
• 最終的な時間遅れを、4つの最良の推定値の平均として算出し、その不確実性は各推定値の合計誤差バー（ランダム誤差＋系統誤差、平方和の平方根）の平均値として算出した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 長期間の光度測定から得られたデータに基づき、重力レンズ効果を受けるクェザーSDSS J1001+5027の2つの像間の正確な時間遅れは何か？
• RQ2 外部変動が存在する状況において、同じ光曲線に適用されたさまざまな時間遅れ推定手法は、どの程度頑健か？
• RQ3 独立した手法、特に盲目的なガウス過程ベースの手法を用いた場合、時間遅れ測定値はどの程度一貫性を示すか？
• RQ4 どの時間遅れ推定手法が系統誤差に対して最も感受性が高く、そのバイアスはどのように特定・緩和できるか？
• RQ5 多様な手法から得た時間遅れ推定値を統合することで、単一の手法よりも信頼性が高く不確実性が低い推定値を得られるか？

主な発見

• SDSS J1001+5027の2つの像間の最終的な時間遅れはΔt_AB = −119.3 ± 3.3日（画像Aが画像Bをリード）であり、系統誤差を含めた相対誤差は2.8%に相当する。
• 外部変動をモデル化する新規手法も含め、4つの独立した時間遅れ推定手法が、類似したランダム誤差と系統誤差バーを持つ一貫性のある結果をもたらした。
• Hojjatiら（2013）の盲目的なガウス過程ベースの手法は、Δt_AB = −117.8 ± 3.2日の結果をもたらし、手法の違いに関わらず測定値の頑健性が確認された。
• 分散様時間遅れ手法は系統誤差が支配的であり、最終的な統合から除外された。
• COSMOGRAILデータに基づく4つの手法と1つの盲目的なガウス過程解析を含む5つの異なる手法の結果の整合性から、最終的な時間遅れ推定値の信頼性が裏付けられた。
• 高精度な時間遅れは、レンズモデルと追加データを組み合わせることで、ハッブル定数H₀および曲率Ωₖのより良い制約を可能にする。