[論文レビュー] The Mass Distribution of CL0939+4713 obtained from a `Weak' Lensing Analysis of a WFPC2 image

Carolin Seitz, Jean‐Paul Kneib+2 more|arXiv (Cornell University)|Jan 15, 1996

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena被引用数 3

ひとこと要約

本稿は、1枚の深宇宙HST/WFPC2画像を用いて、高赤方偏移銀河クラスタCL0939+4713の弱引力レンズ効果解析を実施し、バイアスや自由パラメータなしに2次元質量分布を再構築した。質量は明るいクラスタ銀河の光と強く一致するが、やや明るい背景銀河は拡大効果による反相関を示し、観測領域内での質量推定値は5–7 × 10¹⁴/h₅₀ M☉となった。

ABSTRACT

The image distortions of high-redshift galaxies caused by gravitational light deflection of foreground clusters of galaxies can be used to reconstruct the two-dimensional surface mass density of these clusters. We apply an unbiased parameter-free reconstruction technique to the cluster CL0939+4713 (Abell 851), observed with the WFPC2 on board of the HST. We demonstrate that a single deep WFPC2 observation can be used for cluster mass reconstruction despite its small field of view and the irregular shape of the data field (especially for distant clusters). For CL0939, we find a strong correlation between the reconstructed mass distribution and the bright cluster galaxies indicating that mass follows light on average. The detected anti-correlation between the faint galaxies and the reconstructed mass is most likely an effect of the magnification (anti) bias, which was detected previously in the cluster A1689. Because of the high redshift of CL0939 (z_d=0.41), the redshift distribution of the lensed, faint galaxies has to be accounted for in the reconstruction technique. We derive an approximate global transformation for the surface mass density which leaves the mean image ellipticities invariant, resulting in an uncertainty in the normalization of the mass. From the non-negativity of the surface mass density, we derive lower limits on the mass inside the observed field. We can break the invariance transformation for the mass using the magnification effect on the observed number density of the background galaxies. Assuming a mean redshift of 0.8 and a fraction of 15 % (20 %) of cluster galaxies in the observed galaxy sample with 23

研究の動機と目的

• 高赤方偏移銀河クラスタCL0939+4713の2次元表面質量密度を弱引力レンズ効果を用いて再構築すること。
• 小さな視野と不規則な形状を有する1枚の深宇宙WFPC2観測が、高赤方偏移クラスタの信頼性の高い質量再構築を可能にするかを検証すること。
• 赤方偏移分布の影響を考慮した上で、質量分布と明るいクラスタ銀河およびやや明るい背景銀河との相関を調査すること。
• 背景銀河の数密度に及ぼされる拡大効果を用いて、質量正規化のデゲネラシーを解消すること。
• 非負性制約と観測された銀河数を用いて、質量の下限を導出し、M/L比を推定すること。

提案手法

• WFPC2画像内の高赤方偏移背景銀河からの歪み測定に、バイアスのない自由パrameterフリーな弱レンズ再構築技術を適用すること。
• 質量正規化の不確実性を補償するため、平均画像の楕円度を保存する変換を用い、物理的整合性を確保すること。
• レンズ効果の逆問題に、レンズ効果を受ける銀河の赤方偏移分布（平均z ≈ 0.8）を組み込み、投影効果を補正すること。
• 表面質量密度の非負性制約から、質量の下限を導出すること。
• 背景銀河の数密度に及ぼされる拡大効果を用いて、質量再構築における正規化のデゲネラシーを解消すること。
• 背景サンプルにおけるクラスタ銀河の混入割合を15–20%（23 < R < 25.5）と仮定し、質量推定値のキャリブレーションを行うこと。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 限られた視野を持つ1枚の深宇宙WFPC2画像が、CL0939+4713のような高赤方偏移クラスタの2次元質量再構築を信頼性高く可能にするか？
• RQ2 再構築された質量分布が、明るいクラスタ銀河の空間分布とどの程度相関しているか？
• RQ3 やや明るい背景銀河と再構築された質量マップとの間に観測された反相関は、なぜ生じるのか？また、拡大効果によるものと一致するか？
• RQ4 背景銀河の赤方偏移分布が、遠方クラスタにおける弱レンズ効果による質量再構築の精度にどのように影響を与えるか？
• RQ5 観測領域内での全クラスタ質量の最良推定値は何か？また、そのM/L比はどのようになるか？

主な発見

• CL0939+4713の再構築された質量分布は、明るいクラスタ銀河の分布と強く空間相関を示し、平均的には質量が光に従うことを示している。
• やや明るい背景銀河と質量マップとの間の反相関は、拡大効果に起因するとされ、クラスタA1689における以前の結果とも整合する。
• クラスタ銀河の混入割合を15%と仮定すると、観測領域内での質量推定値は約5 × 10¹⁴/h₅₀ M☉となり、20%と仮定すると7 × 10¹⁴/h₅₀ M☉に上昇する。
• 非負性制約を用いて導出されたM/L比は、15%の混入割合では約100 h₅₀、20%では約140 h₅₀となり、ダークマター支配の高質量対光度比と整合的である。
• 表面質量密度の非負性制約により、正規化の仮定に依存しない、堅牢な全質量の下限が得られた。
• 背景銀河の数密度に及ぼされる拡大効果を用いることで、質量正規化のデゲネラシーが効果的に解消され、定量的質量推定が可能となった。