[論文レビュー] Strong Gravitational Lensing as a Probe of Gravity, Dark-Matter and Super-Massive Black Holes

L. V. E. Koopmans, M. W. Auger+27 more|ArXiv.org|Feb 18, 2009

Radio Astronomy Observations and Technology参考文献 3被引用数 7

ひとこと要約

本論文は、レンズ系の高解像度画像を活用することで、重力、降着物質、超大質量ブラックホールを研究する強力なプローブとして、強力な重力レンズを提案する。今後、電波および可視光の調査（例：SKA、LSST、JDEM）により2020年までに10⁴–10⁶個の新たなレンズ系が得られると予想され、30–50mクラスの望遠鏡による多波長フォローアップによって、降着物質の小構造、計量的重力理論、中心部ブラックホールの性質に対する高精度な制約が可能になる。

ABSTRACT

Whereas considerable effort has been afforded in understanding the properties of galaxies, a full physical picture, connecting their baryonic and dark-matter content, super-massive black holes, and (metric) theories of gravity, is still ill-defined. Strong gravitational lensing furnishes a powerful method to probe gravity in the central regions of galaxies. It can (1) provide a unique detection-channel of dark-matter substructure beyond the local galaxy group, (2) constrain dark-matter physics, complementary to direct-detection experiments, as well as metric theories of gravity, (3) probe central super-massive black holes, and (4) provide crucial insight into galaxy formation processes from the dark matter point of view, independently of the nature and state of dark matter. To seriously address the above questions, a considerable increase in the number of strong gravitational-lens systems is required. In the timeframe 2010-2020, a staged approach with radio (e.g. EVLA, e-MERLIN, LOFAR, SKA phase-I) and optical (e.g. LSST and JDEM) instruments can provide 10^(2-4) new lenses, and up to 10^(4-6) new lens systems from SKA/LSST/JDEM all-sky surveys around ~2020. Follow-up imaging of (radio) lenses is necessary with moderate ground/space-based optical-IR telescopes and with 30-50m telescopes for spectroscopy (e.g. TMT, GMT, ELT). To answer these fundamental questions through strong gravitational lensing, a strong investment in large radio and optical-IR facilities is therefore critical in the coming decade. In particular, only large-scale radio lens surveys (e.g. with SKA) provide the large numbers of high-resolution and high-fidelity images of lenses needed for SMBH and flux-ratio anomaly studies.

研究の動機と目的

• 銀河中心部における降着物質、超大質量ブラックホール、計量的重力理論の相互作用を解明するため、強力な重力レンズを主要な手法として確立すること。
• 銀河内におけるバリオン物質、降着物質、ブラックホール、重力の間の完全な物理的図を描くことの欠如を是正すること。
• レンズ系から基礎物理を抽出するために必要な観測要件——特に大規模な調査と高解像度フォローアップ——を特定すること。
• 統計的に有意なレンズサンプルを得るために次世代の電波および可視光・赤外線施設への大規模投資を提唱すること。
• 降着物質の粒子的性質が未知であることに依存せずに、銀河形成および降着物質物理学に関する独立した制約を可能にすること。

提案手法

• 強力な重力レンズを用いて、降着物質および中心部ブラックホールの寄与を含む銀河内の質量分布をマッピングすること。
• 電波（例：EVLA、e-MERLIN、LOFAR、SKA）および可視光（例：LSST、JDEM）の調査による高解像度画像を活用し、高精度なレンズ像を検出すること。
• 30–50mクラスの望遠鏡（例：TMT、GMT、ELT）を用いた分光的フォローアップにより、速度分散およびブラックホール質量を測定すること。
• 複数の像におけるフラックス比の異常を分析し、降着物質ハロー内の小構造を調べ、代替重力モデルを検証すること。
• レンズ時間遅延と像の多重性を組み合わせて、宇宙論的パラメータおよびブラックホールスピンを制約すること。
• 統計的レンズサンプルを用いて、直接検出実験を超えた降着物質物理学を探査し、自己相互作用的および冷たい降着物質モデルを含むものとする。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 強力な重力レンズは、局所銀河団を超えた降着物質の小構造を検出するためにどのように利用可能か？
• RQ2 レンズは他の宇宙論的プローブに依存せずに、代替計量的重力理論をどの程度制約できるか？
• RQ3 レンズは、ブラックホールの質量および構造に関して、強力でモデルに依存しない制約を提供できるか？
• RQ4 レンズ系は、降着物質の観点から、銀河の形成と進化をどのように示唆するか？
• RQ5 降着物質および重力に関する統計的に有意な制約を得るために、将来の調査にどのスケールと深さが必要か？

主な発見

• 今後、全天調査（SKA、LSST、JDEM）により、2020年までに10⁴–10⁶個の新たな強力な重力レンズ系が発見されると予想される。
• 電波調査（特にSKAを用いたもの）は、フラックス比の異常およびブラックホール質量の研究に不可欠な高解像度・高忠実度の画像を提供する。
• 中程度の地上および宇宙望遠鏡が画像取得に必要であり、30–50mクラスの望遠鏡は分光的フォローアップに不可欠である。
• 強力なレンズは、降着物質の粒子的性質に依存せず、銀河形成および降着物質物理学を独自にモデルに依存せずに探査する唯一の手段を提供する。
• この手法により、直接検出実験とは補完的な、降着物質の小構造および代替重力理論に関する制約が可能になる。
• 基礎物理学の飛躍的進展を得るための統計的パワーを実現するには、電波および可視光施設を段階的に用いた観測アプローチが不可欠である。