[論文レビュー] Strong lensing in the MareNostrum Universe II: scaling relations and optical depths

C. Fedeli, M. Meneghetti+2 more|arXiv (Cornell University)|Jul 9, 2010

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena参考文献 52被引用数 10

ひとこと要約

本研究では、マレノストルム・ユニバースという宇宙論的N体＋SPHシミュレーションを用い、銀河団における強引力レンズ効果を分析し、レンズ効果の断面積とバリアル質量およびX線輝度との間できつい相関関係を確立した。本研究では、計算コストが非常に高いフルシミュレーションに代わる、高速で正確な合成光学的厚さモデルを提案した。このモデルは、真の光学的厚さを正確に再現しており、X線輝度が強い銀河団に限定して選別すると、巨大アークの30–40％が見逃され、高赤方偏移におけるレンズ効果は動的には安定していない系に支配されていることが明らかになった。

ABSTRACT

The strong lensing events that are observed in compact clusters of galaxies can, both statistically and individually, return important clues about the structural properties of the most massive structures in the Universe. Substantial work is ongoing in order to understand the degree of similarity between the lensing cluster population and the population of clusters as a whole, with members of the former being likely more massive, compact, and substructured than members of the latter. In this work we exploit synthetic clusters extracted from the {\sc MareNostrum Universe} cosmological simulation in order to estimate the correlation between the strong lensing efficiency and other bulk properties of lensing clusters, such as the virial mass and the bolometric X-ray luminosity. We found that a positive correlation exist between all these quantities, with the substantial scatter being smaller for the luminosity-cross section relation. We additionally used the relation between the lensing efficiency and the virial mass in order to construct a synthetic optical depth that agrees well with the true one, while being extremely faster to be evaluated. We finally estimated what fraction of the total giant arc abundance is recovered when galaxy clusters are selected according to their dynamical activity or their X-ray luminosity. Our results show that there is a high probability for high-redshift strong lensing clusters to be substantially far away from dynamical equilibrium, and that $30-40\%$ of the total amount of giant arcs are lost if looking only at very X-ray luminous objects.

研究の動機と目的

• 強引力レンズ効果の統計的相関関係を、バリアル質量やX線輝度などの銀河団の全体的性質と定量化すること。
• 計算コストが非常に高いフルシミュレーションに代わる、高速かつ正確な合成光学的厚さモデルを、レンズ効果-質量およびレンズ効果-輝度関係に基づいて開発すること。
• 動的状態やX線輝度に基づく選別バイアスが、巨大アークの観測頻度に与える影響を評価すること。
• 高赤方偏移における強引力レンズ効果の全光学的厚さに、非安定状態の銀河団およびX線輝度が高い銀河団がどれほど寄与しているかを評価すること。
• X線選別と光学的選別による銀河団サンプル間のアーク統計の乖離を、シミュレートされたレンズ効果特性を用いて解釈すること。

提案手法

• 重力的およびバリオン物理学を含む大規模な宇宙論的N体＋SPHシミュレーションであるマレノストルム・ユニバースを用い、合成銀河団を抽出した。
• シミュレートされた銀河団ハローのレイトラーシング技術を用いて、巨大アークのための強引力レンズ断面積を計算した。主に臨界曲線および臨界面に注目した。
• レンズ断面積とバリアル質量との間、および断面積と全波長X線輝度との間の経験的スケーリング関係を確立し、対数空間におけるべき乗則関係をフィッティングした。
• 最良のフィットを得た質量-レンズ効果関係を用い、1つの調整可能なパラメータを有する合成光学的厚さモデルを構築し、フルシミュレーションデータから得た真の光学的厚さと照合した。
• バリアルパラメータ基準を用いて、銀河団の動的状態（安定 vs. 非安定）を分類し、それぞれが全光学的厚さに与える寄与を計算した。
• X線輝度の階層ごとにアークの豊度寄与度を定量し、X線選別型アーク調査における選別バイアスを評価した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 銀河団の強引力レンズ断面積は、そのバリアル質量およびX線輝度とどのように相関するか？
• RQ2 質量-レンズ効果スケーリング関係に基づく簡略化された合成光学的厚さモデルは、フルシミュレーションからの真の光学的厚さを高精度で再現できるか？
• RQ3 X線輝度が高いだけの基準で銀河団を選別すると、全巨大アーク豊度の何パーセントが失われるか？
• RQ4 高赤方偏移における強引力レンズ効果は、どれほど動的には安定していない銀河団に支配されているか？
• RQ5 X線輝度が高い銀河団サンプルにおける選別効果は、観測された巨大アークの頻度が真の母集団と比べてどの程度影響を受けるか？

主な発見

• レンズ断面積とバリアル質量との間に強い相関関係が存在し、対数空間で傾きは約1.5であり、平均関係から最大10倍の散乱が見られた。
• レンズ断面積と全波長X線輝度との相関関係は、質量-レンズ関係よりもきついものであり、中心部の銀河団状態に共通して感度を示すためである。
• 質量-レンズ関係および輝度-レンズ関係の両方の散乱は、概ねガウス分布に近いが、一部のケースでは非ガウス的偏差が認められた。
• 質量-レンズスケーリング関係に基づく合成光学的厚さモデルは、1つの調整可能なパラメータのみを用いて、真の微分光学的厚さを高い精度で再現できた。
• 非安定状態の銀河団は、高赤方偏移における光学的厚さに顕著に寄与しており、質量構造が階層的に形成され、高赤方偏移で動的活動が活発であるという予想と整合的である。
• あるX線輝度のしきい値未満の銀河団を除外すると、全巨大アーク豊度の30–40％が失われるため、X線選別型アーク調査には顕著な選別バイアスが存在することが示された。