[論文レビュー] Strong gravitational lensing with the SKA

J. P. McKean, N. Jackson+8 more|arXiv (Cornell University)|Feb 11, 2015

Radio Astronomy Observations and Technology被引用数 6

ひとこと要約

本論文は、電波強度が強い強い重力レンズを全天空で検出可能な10⁵個に達する可能性があること、そしてそのことで宇宙論的・天体物理学的研究のサンプルサイズが劇的に増加すると提案している。SKA1-MIDアレイは、0.25〜0.5角秒の分解能と3 μJy beam⁻¹の感度を備え、レンズ統計の変革をもたらし、正確なハッブル定数およびダークエネルギー（w）の測定を可能にする。一方、VLBI機能は、超大質量ブラックホールおよびダークマターの小構造を調査するために不可欠である。

ABSTRACT

Strong gravitational lenses provide an important tool to measure masses in the distant Universe, thus testing models for galaxy formation and dark matter; to investigate structure at the Epoch of Reionization; and to measure the Hubble constant and possibly w as a function of redshift. However, the limiting factor in all of these studies has been the currently small samples of known gravitational lenses (~10^2). The era of the SKA will transform our understanding of the Universe with gravitational lensing, particularly at radio wavelengths where the number of known gravitational lenses will increase to ~10^5. Here we discuss the technical requirements, expected outcomes and main scientific goals of a survey for strong gravitational lensing with the SKA. We find that an all-sky (3pi sr) survey carried out with the SKA1-MID array at an angular resolution of 0.25-0.5 arcsec and to a depth of 3 microJy / beam is required for studies of galaxy formation and cosmology with gravitational lensing. In addition, the capability to carryout VLBI with the SKA1 is required for tests of dark matter and studies of supermassive black holes at high redshift to be made using gravitational lensing.

研究の動機と目的

• SKAによって、現在の約10²個の既知の重力レンズの限界を克服し、サンプルサイズを大幅に増加させること。
• 時間遅れレンズ系の数を増やすことで、ハッブル定数およびダークエネルギー状態方程式（w）を含む正確な宇宙論的測定を可能にすること。
• 希少で高増幅率のレンズ系を検出することで、高赤方偏移銀河の質量分布およびダークマターの小構造を研究すること。
• 欧州宇宙望遠鏡（Euclid）やLSSTなど、光学・赤外線調査と連携し、複数の波長でレンズ像を同定・特徴づけること。
• SKA1におけるVLBI機能を確保し、ダークマターのモデル検証および高赤方偏移での超大質量ブラックホールの研究を可能にすること。

提案手法

• SKA1-MIDアレイを用い、0.25〜0.5角秒の分解能と3 μJy beam⁻¹の感度で、全天空（3π sr）の連続スペクトル調査を実施し、電波強度の強いレンズ像を検出する。
• レンズ効果の確率に関する統計的モデリングを用い、現実的な発光関数および質量分布を仮定して、強いレンズ系の予想収量を予測する。
• バンド5（8.46 GHz）で観測されたAGN支配のレンズ系に対して時間遅れ解析を適用し、ハッブル定数（H₀）およびwを制約する。プランク衛星のCMBデータと併用する。
• VLBI機能を活用し、ミリ秒角未満の分解能を達成し、レンズ像のクェーサーにおけるコンパクト構造を検出し、ダークマターの小構造を検証する。
• SKA1-MIDのデータと、光学・赤外線調査（例：Euclid、LSST）を統合し、レンズ像の銀河を同定し、レンズモデルを確認する。
• Euclidのスカイ領域をカバーする3か月間のパイロット調査を実施し、レンズ検出および同定手法の妥当性を検証する。目標は1,000〜3,000個の新規レンズの検出。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 3 μJy beam⁻¹の感度と0.25〜0.5角秒の分解能を備えたSKA1-MIDアレイは、全天空で何個の強い重力レンズを検出できるか？
• RQ2 重力レンズのサンプルサイズが拡大することで、ハッブル定数（H₀）やダークエネルギー状態方程式（w）といった宇宙論的パラメータの制約がどの程度改善されるか？
• RQ3 複数の赤方偏移にある複数の源を持つ希少で高赤方偏移のレンズ系の予想収量はどの程度か？また、それらはwのほぼ系統ずれのない測定を可能にするか？
• RQ4 SKA1にVLBI機能を組み込むことで、ダークマターの小構造および超大質量ブラックホールの研究における科学的利得はどのように向上するか？
• RQ5 SKA1-MIDの3か月間の観測時間で、数千個の新規レンズを検出可能か？パイロット調査により大規模レンズ調査の実現可能性を検証できるか？

主な発見

• SKA1-MIDアレイは、3 μJy beam⁻¹の感度と0.25〜0.5角秒の分解能を仮定した場合、全天空で最大10⁵個の電波強度の強い強い重力レンズを検出可能と予測される。
• 保守的な見積もりでは、少なくとも10⁴個のレンズが信頼性をもって検出可能とされ、主な不確実性は背景電波源の発光関数に起因する。
• 本調査により、既知のレンズ系の数が2桁以上増加し、銀河質量プロファイルおよび宇宙論的パラメータに対する堅固な統計的制約が可能になる。
• より多くのレンズ像AGNからの時間遅れ測定により、統計的不確実性が低減され、プランクCMBデータと併用することで、ハッブル定数（H₀）およびwの制約が厳しくなる。
• 2つの異なる赤方偏移にある源（例：変動するクェーサーと背景源）を持つ希少な系は、SKA2調査で検出可能とされ、wのほぼ系統ずれのない測定が可能になる。
• SKAにおけるVLBI機能は、レンズ像クェーサーのコンパクト構造を解像可能とし、ダークマターの小構造の直接的検証および高赤方偏移ブラックホールの性質の研究に不可欠である。