[論文レビュー] Flashlights: More than A Dozen High-Significance Microlensing Events of Extremely Magnified Stars in Galaxies at Redshifts z=0.7-1.5

Patrick L. Kelly, Wenlei Chen+24 more|arXiv (Cornell University)|Nov 4, 2022

Astronomy and Astrophysical Research被引用数 9

ひとこと要約

本研究では、Flashlightsプログラムによる超深宇宙望遠鏡観測を用いて、赤方偏移z=0.7–1.5の銀河における、極めて高増幅の星の十数例にのぼる高信頼性な重力レンズ効果イベントの発見を報告する。ハッブル宇宙望遠鏡のフロンティア・フィールズ銀河団を活用し、臨界曲線付近での一時的な明るさの増加を利用して、高温で質量の大きな星およびコンact物体を同定した。これにより、初期質量関数、暗黒物質の組成、高赤方偏移における銀河団内光に関する新たな制約が得られた。

ABSTRACT

Once only accessible in nearby galaxies, we can now study individual stars across much of the observable universe aided by galaxy-cluster gravitational lenses. When a star, compact object, or multiple such objects in the foreground galaxy-cluster lens become aligned, they can magnify a background individual star, and the timescale of a magnification peak can limit its size to tens of AU. The number and frequency of microlensing events therefore opens a window into the population of stars and compact objects, as well as high-redshift stars. To assemble the first statistical sample of stars in order to constrain the initial mass function (IMF) of massive stars at redshift z=0.7-1.5, the abundance of primordial black holes in galaxy-cluster dark matter, and the IMF of the stars making up the intracluster light, we are carrying out a 192-orbit program with the Hubble Space Telescope called "Flashlights," which is now two-thirds complete owing to scheduling challenges. We use the ultrawide F200LP and F350LP long-pass WFC3 UVIS filters and conduct two 16-orbit visits separated by one year. Having an identical roll angle during both visits, while difficult to schedule, yields extremely clean subtraction. Here we report the discovery of more than a dozen bright microlensing events, including multiple examples in the famous "Dragon Arc" discovered in the 1980s, as well as the "Spocks" and "Warhol" arcs that have hosted already known supergiants. The ultradeep observer-frame ultraviolet-through-optical imaging is sensitive to hot stars, which will complement deep James Webb Space Telescope infrared imaging. We are also acquiring Large Binocular Telescope LUCI and Keck-I MOSFIRE near-infrared spectra of the highly magnified arcs to constrain their recent star-formation histories.

研究の動機と目的

• 赤方偏移z=0.7–1.5における高増幅個別星の統計的サンプルを構築し、質量の大きな星の初期質量関数（IMF）を調査すること。
• 重力レンズ効果イベントの頻度と時間スケールを用いて、銀河団の暗黒物質ハロー内に存在する原始ブラックホールの存在割合を制約すること。
• 高赤方偏移銀河団における銀河団内光に寄与する星の集団を調査すること。
• 重力レンズ効果イベントとして特定された星の位置を用いて、銀河団レンズモデルの臨界曲線に関する精度の高い制約を提供すること。
• 深紫外から可視光にわたる画像を用いて、高赤方偏移のLyman-breakドロップアウトサンプルに含まれる低赤方偏移の混入星を特定・特徴付けること。

提案手法

• 6つのフロンティア・フィールズ銀河団を対象に、192軌道にわたる超深宇宙でのハッブル宇宙望遠鏡観測を実施。WFC3/UVISを用い、F200LPおよびF350LPの長波長フィルタを用いた。
• 同一の姿勢角を保ったまま、1年間隔で2回の16軌道の観測を実施し、クリーンな差分画像作成と高精度な一時的変光源検出を可能にした。
• 高精度なレンズモデル（例：WSLAP+、GLAFIC、GRALE）を用いて臨界曲線をマッピングし、臨界曲線付近の重力レンズ候補を同定した。
• 変光曲線の解析により、時間スケールと臨界曲線からの距離に基づいて、重力レンズ効果と他の可変源を区別した。
• Keck-IのMOSFIREおよびLBTのLUCIを用いた近赤外分光観測により、増幅されたアークの星形成歴を制約した。
• HSTの紫外から可視光までの画像と、将来のジェームズ・ウェッブ宇宙望遠鏡（JWST）の赤外データを統合し、より低温の星を調査し、星の集団の包括的把握を図った。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 重力レンズ効果イベントの頻度と特徴から、赤方偏移z=0.7–1.5における質量の大きな星の初期質量関数（IMF）はどのように制約されるか？
• RQ2 高信頼性の重力レンズ効果イベントは、銀河団の暗黒物質ハロー内に存在する原始ブラックホールの存在割合にどのような制約をもたらすか？
• RQ3 高赤方偏移銀河団の銀河団内光に寄与する星の集団は、局所宇宙のそれと比べてどのように異なるか？
• RQ4 重力レンズ効果を示した星の位置は、銀河団レンズモデルの臨界曲線に関する精度を向上させることができるか？
• RQ5 低赤方偏移の混入星は、高赤方偏移のLyman-breakドロップアウトサンプルをどの程度汚染しているのか？深紫外画像はそれらの特定にどのように寄与できるか？

主な発見

• Flashlightsプログラムでは、赤方偏移z=0.7–1.5の銀河で十数例にのぼる高信頼性の重力レンズ効果イベントを検出。特に、ドラゴンアーク（z=0.73）、スポックスアーク（z=1.01）、ワーホルアーク（z=1.26）で検出された。
• ドラゴンアークに存在する3つの変光源は、臨界曲線に非常に近接していることから、WSLAP+およびGLAFICレンズモデルによる確認を経て、重力レンズ効果の可能性が極めて高い。
• アベルS1063フィールドの低赤方偏移アーク（z=0.73）においても、2つの追加の高信頼性変光源が検出され、臨界曲線付近に位置する場合に重力レンズ効果と整合的である。
• ワーホルアークでは、青色超巨星ペアの位置で変光が検出され、これによりコンパクトな物体または星の存在が確認された。
• 本研究では、紫外から可視光にわたる感度を持つ深宇宙での繰り返しHST画像観測が、高赤方偏移においてこれまでに得られなかった高温で質量の大きな星の集団を明らかにできることを示した。
• 重力レンズ効果を示した星の位置は、銀河団レンズモデルの臨界曲線に関する新たな高精度の制約を提供し、モデルの精度向上に寄与した。