[論文レビュー] Gaia GraL: Gaia DR2 Gravitational Lens Systems. V. Doubly-imaged QSOs discovered from entropy and wavelets

A. Krone-Martins, M. J. Graham+23 more|arXiv (Cornell University)|Dec 19, 2019

Stellar, planetary, and galactic studies参考文献 7被引用数 13

ひとこと要約

本論文では、カタリナ調査の低分解能光度時系列データと、Pan-STARRSおよびDECaLSデータのウェーブレットベースの画像解析、およびGaia DR2の位置測定異常を組み合わせることで、二重像を呈するクェーサー（QSO）を発見する新規手法を提示する。この手法により、7つの新たな二重像クェーサーと1つの可能性の高い二重クェーサーが同定され、解像度の低い空間位置測定データと時空間的データを用いることで、高解像度画像を必要とせずに強い重力レンズを効果的に検出できることが示された。

ABSTRACT

The discovery of multiply-imaged gravitationally lensed QSOs is fundamental to many astronomical and cosmological studies. However, these objects are rare and challenging to discover due to requirements of high-angular resolution astrometric, multiwavelength photometric and spectroscopic data. This has limited the number of known systems to a few hundred objects. We aim to reduce the constraints on angular resolution and discover multiply-imaged QSO candidates by using new candidate selection principles based on unresolved photometric time-series and ground-based images from public surveys. We selected candidates for multiply-imaged QSOs based on low levels of entropy computed from Catalina unresolved photometric time-series or Euclidean similarity to known lenses in a space defined by the wavelet power spectra of Pan-STARSS DR2 or DECaLS DR7 images, combined with multiple {\it Gaia} DR2 sources or large astrometric errors and supervised and unsupervised learning methods. We then confirmed spectroscopically some candidates with the Palomar Hale, Keck-I, and ESO/NTT telescopes. Here we report the discovery and confirmation of seven doubly-imaged QSOs and one likely double quasar. This demonstrates the potential of combining space-astrometry, even if unresolved, with low spatial-resolution photometric time-series and/or low-spatial resolution multi-band imaging to discover multiply-imaged lensed QSOs.

研究の動機と目的

• 多重像クェーサーを発見するにあたり、高分解能が必要な課題を克服すること。
• 時空間的光度測定と低分解能の多バンド画像を活用することで、高解像度画像や分光測定に依存するのを減らすこと。
• 光曲線のエントロピーと既知のレンズ系との類似性に基づく新しい選別基準の開発および検証すること。
• Gaia DR2の未解像化された位置測定データと公開の調査画像のみを用いて、強い重力レンズを検出する可能性を実証すること。
• 将来のLSSTおよびGaiaのデータリリースに適用可能なデータ駆動型でスケーラブルな手法を用いて、二重像クェーサーの既知のサンプルを拡張すること。

提案手法

• カタリナ調査の未解像化された光度時系列データからエントロピーを計算し、レンズに類似した振る舞いを示す可変源を特定する。
• Pan-STARRS DR2およびDECaLS DR7の画像からウェーブレットパワースペクトルを抽出し、既知のレンズ系との形態的類似度を定量化する。
• 光曲線の低エントロピーと既知のレンズ系との高いウェーブレット類似性に加え、複数のGaia DR2源または大きな位置測定誤差を示すものに基づいて候補者を選別する。
• 教師ありおよび教師なし機械学習手法を用いて候補者の選別を精緻化し、ターゲットの優先順位を決定する。
• Palomar Hale、Keck-I、およびESO/NTT望遠鏡を用いた分光的追跡観測により、レンズ付きクェーサーの確認を実施する。
• 空間位置測定（Gaia DR2）と地上ベースの時空間的および画像調査を統合することで、高解像度画像を必要とせずにレンズ検出を可能にする。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 未解像化された時系列データからの低エントロピー光度曲線は、レンズ付きクェーサーの候補を効果的に同定できるか？
• RQ2 低分解能調査データのウェーブレットベースの画像解析は、既知の重力レンズ系との形態的類似度をどの程度検出できるか？
• RQ3 光度測定および画像データと組み合わせた場合、Gaia DR2の位置測定異常（例：大きな誤差や複数の源）は、レンズ付きクェーサーの効果的指標として機能するか？
• RQ4 エントロピー、ウェーブレット類似性、および位置測定シグネイチャの組み合わせは、レンズ候補選別における誤検出をどの程度効果的に低減できるか？
• RQ5 この手法は、高解像度画像やレンズ幾何の事前知識に依存せずに、新たな二重像クェーサーを発見できるか？

主な発見

• 提案手法を用いて、7つの新たな二重像クェーサーが分光的に確認され、そのようなシステムの既知のサンプルが著しく拡大された。
• 追加で1つの候補がおそらく二重クェーサーであると特定され、この手法のレンズ付きクェーサーに対する感受性がさらに裏付けられた。
• 高解像度データを必要とせず、未解像化された光度時系列と低空間分解能画像のみを用いても、レンズ付きクェーサーを効果的に検出できた。
• 光曲線の低エントロピーと既知のレンズ系との高いウェーブレット類似性の組み合わせが、偽陽性と真のレンズ候補を区別するのに効果的であった。
• Gaia DR2の位置測定異常（例：複数の源や大きな誤差）の使用は、時空間的および画像特徴と組み合わせることで、候補者の優先順位付けを顕著に改善した。
• この手法は、将来的な大規模調査（例：LSST）および次のGaiaデータリリースに応用可能であると強く示唆され、スケーラブルでデータ駆動型のレンズ発見を可能にする。