[논문 리뷰] A Time Delay for the Largest Gravitationally Lensed Quasar: SDSS J1004+4112

J. Fohlmeister, C. S. Kochanek외 13명|arXiv (Cornell University)|2006. 07. 21.

Astrophysical Phenomena and Observations인용 수 4

한 줄 요약

이 연구는 1000일간의 광학 모니터링을 통해 중력 렌즈 효과를 겪는 활성은하핵 SDSS J1004+4112의 A 및 B 이미지 사이에 38.4 ± 2.0일의 시간 지연을 측정하였다. 이 지연은 군집 내 성간 은하들을 무시한 이전 모델을 무효화하며, 이러한 은하들이 렌즈 효과의 잠재적 장애를 크게 변화시킨다. 이러한 은하들을 포함시킴으로써 이미지 위치와 시간 지연을 정확하게 맞출 수 있으나, C 및 D 이미지의 더 긴 지연은 아직 확인되지 않았으나 560일을 초과해야 한다는 제약 조건이 존재한다.

ABSTRACT

We present 426 epochs of optical monitoring data spanning 1000 days from December 2003 to June 2006 for the gravitationally lensed quasar SDSS J1004+4112. The time delay between the A and B images is 38.4+/-2.0 days in the expected sense that B leads A and the overall time ordering is C-B-A-D-E. The measured delay invalidates all published models. The models failed because they neglected the perturbations from cluster member galaxies. Models including the galaxies can fit the data well, but strong conclusions about the cluster mass distribution should await the measurement of the longer, and less substructure sensitive, delays of the C and D images. For these images, a CB delay of 681+/-15 days is plausible but requires confirmation, while CB and AD delays of >560 days and > 800 days are required. We clearly detect microlensing of the A/B images, with the delay-corrected flux ratios changing from B-A=0.44+/-0.01 mag in the first season to 0.29+/-0.01 mag in the second season and 0.32+/-0.01 mag in the third season.

연구 동기 및 목표

• 장력 렌즈 효과를 겪는 활성은하핵 SDSS J1004+4112의 A 및 B 이미지 사이의 시간 지연을 장기적인 광학 모니터링을 통해 측정하기.
• 기존의 렌즈 모델이 군집 내 성간 은하의 굴절을 간과한 경우 시간 지연을 정확히 예측할 수 있는지 테스트하기.
• 활성은하핵 이미지의 광학 연속 스펙트럼에서 마이크로렌즈 효과를 조사하고, 이로 인한 소스의 구조 및 변화성에 대한 영향을 분석하기.
• 시간 지연과 이미지 위치 데이터를 이용해 렌즈 군집의 질량 분포, 특히 성간 은하의 부구조가 차지하는 비중을 제약 조건으로 설정하기.
• 렌즈 효과와 X선 질량 측정치를 활용해 적색편이에 따른 에인슈타인 반경의 스케일링을 통해 우주론적 테스트의 잠재력을 평가하기.

제안 방법

• Apache Point 관측소, MDM, WIYN, 허블 우주望遠경을 포함한 여러 천체망원경을 활용해 1000일간의 광학 모니터링 캠페인을 수행하여 활성은하핵 이미지의 변화를 추적하였다.
• 426개의 관측 에포크에서 확득된 광선 곡선을 상호상관 분석하여 A 및 B 이미지 사이의 시간 지연을 측정하였다.
• 부구조 효과를 고려하기 위해 11개의 가장 질량이 큰 군집 내 성간 은하의 굴절을 포함한 렌즈 모델을 구축하였다.
• 시간 지연과 이미지 위치를 이용해 군집의 질량 분포를 제약 조건으로 설정하고, 모델 예측값과 관측 데이터를 비교하였다.
• 시간 지연이 빛의 전파 시간 차이를 보정하므로, A 및 B 이미지 간의 밝기 비율 변화를 마이크로렌즈 효과로 간주하고 분석하였다.
• 시간 지연이 우주론 모델과 일치하는지 평가하고, 향후 X선 모니터링이 질량 분포 비교에 기여할 잠재력을 평가하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 SDSS J1004+4112의 A 및 B 이미지 사이의 진정한 시간 지연은 얼마이며, 군집 내 성간 은하의 굴절을 간과한 모델이 예측한 값과 비교해 볼 때 어떻게 다를까?
• RQ2 군집 내 성간 은하의 굴절 효과는 렌즈 모델의 정확도에 어떤 영향을 미치며, 왜 표준 모델은 관측된 시간 지연을 재현하지 못하는가?
• RQ3 관측된 A 및 B 이미지 간의 밝기 비율 변화는 내재된 소스 변화나 흡수 효과보다 마이크로렌즈 효과로 인한 것인지 어느 정도의 비율로 기인하는가?
• RQ4 C 및 D 이미지와 관련된 더 긴 시간 지연의 가능성 있는 범위는 무엇이며, 향후 관측을 통해 어떻게 확인할 수 있는가?
• RQ5 렌즈 효과, X선 및 광학 모니터링 데이터의 조합이 적색편이에 따른 에인슈타인 반경의 스케일링을 통해 우주론 모델을 정밀하게 검증할 수 있는가?

주요 결과

• B 및 A 이미지 사이의 시간 지연는 Δt_BA = 38.4 ± 2.0일로 측정되었으며, B가 A보다 앞서며, 전체 이미지 순서는 C-B-A-D-E이다.
• 이전의 모든 시스템 모델은 군집 내 성간 은하의 굴절을 간과했기 때문에 무효화되었으며, 이러한 은하들이 시간 지연 예측에 상당한 영향을 미친다.
• 11개의 가장 질량이 큰 군집 내 성간 은하의 굴절을 포함한 모델은 관측된 이미지 위치와 측정된 A/B 시간 지연을 합리적인 매개변수로 동시에 맞출 수 있다.
• C/B 쌍에 대한 타당한 시간 지연는 Δt_CB ≈ 681 ± 15일이며, 이는 아직 확인이 필요하나 데이터에 따르면 560일을 초과해야 한다.
• A/B 이미지에서 명백한 마이크로렌즈 효과가 관측되었으며, 1기의 밝기 비율은 0.44 ± 0.01 mag에서 2기에는 0.29 ± 0.01 mag, 3기에는 0.32 ± 0.01 mag로 변화하였다.
• 관측된 밝기 비율 변화는 흡수 변화만으로 설명될 수 없으며, 이는 발광선 프로파일의 관측된 변화가 마이크로렌즈 효과에 기인한다는 강력한 증거를 제공한다.