[論文レビュー] Gaia GraL: Gaia DR2 Gravitational Lens Systems. VI. Spectroscopic Confirmation and Modeling of Quadruply-Imaged Lensed Quasars

Daniel Stern, S. G. Djorgovski+24 more|arXiv (Cornell University)|Dec 18, 2020

Gamma-ray bursts and supernovae参考文献 79被引用数 34

ひとこと要約

本論文は、Gaia DR2、WISEの光度測定、光学的光曲線を用いて、Gaia重力レンズ調査（GraL）から12個の新たな四重像レンズ付きクェเซアを分光的確認およびレンズモデリングした。研究では機械学習を用いて候補を特定し、既知の四重像クェセアの数を20％増加させ、強いレンズ効果を用いた宇宙論およびブラックホール物理学の分野を顕著に前進させた。

ABSTRACT

Combining the exquisite angular resolution of Gaia with optical light curves and WISE photometry, the Gaia Gravitational Lenses group (GraL) uses machine learning techniques to identify candidate strongly lensed quasars, and has confirmed over two dozen new strongly lensed quasars from the Gaia Data Release 2. This paper reports on the 12 quadruply-imaged quasars identified by this effort to date, which is approximately a 20% increase in the total number of confirmed quadruply-imaged quasars. We discuss the candidate selection, spectroscopic follow-up, and lens modeling. We also report our spectroscopic failures as an aid for future investigations.

研究の動機と目的

• Gaia DR2の位置・光度測定データおよび機械学習を用いて、新たな強いレンズ効果を受けるクェセアを同定・確認すること。
• 非常にまれな四重像クェセアを特定する課題に取り組み、高精度な宇宙論的および天体物理学的モデリングに不可欠であることを明らかにすること。
• 多波長データと分光的検証を組み合わせることで、レンズモデリングの精度を向上させること。
• 将来のレンズ検出作業を支援し、機械学習パイプラインを最適化するために、分光的失敗事例を記録すること。
• X線、電波、近赤外線観測を含む多波長フォローアップキャンペーンを支援し、より深い物理的特徴の解明を可能にすること。

提案手法

• Gaia DR2の位置・光度測定特性に基づき、潜在的なレンズ効果を受けるクェセア候補を特定するために、階層的三角形メッシュ（HTM）を用いた教師あり機械学習手法を採用した。
• Gaiaデータに加え、光学的光曲線とWISEのミッド赤外光度測定を組み合わせ、候補選定の感度を向上させた。
• 主要な地上望遠鏡（Keck、Gemini、Palomarなど）を用いた分光的フォローアップ観測により、レンズ効果を受けるクェセア系の確認を実施した。
• SIS+γおよびSIE+γレンズモデルを用いて観測された像配置に適合させ、臨界曲線およびアステロイドを用いて予測の妥当性を検証した。
• 複雑な系におけるレンズ銀河の位置制約を改善するために、PanSTARRSの画像データを統合した。
• カイ二乗統計を用いて、像位置、フラックス比、銀河の光分布の各パラメータのモデル適合度を評価した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 Gaia DR2および多波長データを用いて、何例の新たな四重像レンズ効果を受けるクェセアを確認できるか？
• RQ2 候補クェセアの分光的フォローアップにおいて、主な失敗モードは何か。また、それらは将来の検出パイプラインにどのように寄与できるか？
• RQ3 SIS+γおよびSIE+γモデルは、これらの系の観測された像配置およびフラックス比をどの程度正確に再現できるか？
• RQ4 GraLが同定したクェセア系は、従来の既知の系と比較して赤方偏移、像間隔、レンズ質量分布の点でどのように異なるか？
• RQ5 これらの新規系は、ハッブル定数の測定および暗黒物質・ブラックホール物理学の探査にどのような意味を持つのか？

主な発見

• GraLチームは、Gaia DR2から12例の新たな四重像レンズ効果を受けるクェセアを確認し、既知の同種システムの総数が約20％増加した。
• 分光的フォローアップにより、複数像のクェセア性が確認され、赤方偏移はz ≈ 0.7からz ≈ 3.3の範囲にあり、像間隔が約0.6弧秒未満の系でもレンズ効果が確認された。
• SIS+γおよびSIE+γモデルは像配置に良好に適合し、カイ二乗の自由度調整済み値は、系の複雑さやデータ品質に応じて約0.01から約12,700の範囲で変動した。
• GraL J165105.3−041725という1つの系では、高いレンズシアー（γ = 0.31）と大きなエインシュタイン半径（θE = 3.46′′）が観測され、質量の大きなレンズ銀河であることが示された。
• 分光的失敗の主な原因は、重ね合わされた星間源、背景のAGN、誤った二重源同定であり、候補の12％が確認に失敗した。
• これらの結果は、特にGaia EDR3を想定した今後のGaiaデータリリースに向けた、機械学習戦略の見直しを可能にし、将来的なレンズ効果クェセア発見の選別効率を向上させた。