[논문 리뷰] COSMOGRAIL: the COSmological MOnitoring of GRAvItational Lenses IX. Time delays, lens dynamics and baryonic fraction in HE 0435-1223

F. Courbin, V. Chantry외 14명|arXiv (Cornell University)|2010. 09. 08.

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena참고 문헌 46인용 수 63

한 줄 요약

이 연구는 COSMOGRAIL 모니터링 캠프에서 7년간의 R-대역 광도 측정 자료를 바탕으로 다섯 번째 렌즈 효과를 받은 활성 은하핵 HE 0435-1223에서 정밀한 시간 지연를 제시한다. HST NICMOS 이미징을 통한 고정밀 천체측위 측정, 항성 집단 모델링 및 속도 분산 측정을 결합함으로써 저자들은 은하계 질량 분포와 은하계 질량 프로파일을 제약 조건에 따라 제한하며,未래 데이터의 깊이와 분광 해상도 향상으로 향후 허블 상수 추정이 신뢰성 있게 가능해질 수 있도록 한다.

ABSTRACT

We present accurate time delays for the quadruply imaged quasar HE 0435-1223. The delays were measured from 575 independent photometric points obtained in the R-band between January 2004 and March 2010. With seven years of data, we clearly show that quasar image A is affected by strong microlensing variations and that the time delays are best expressed relative to quasar image B. We measured Delta_t(BC) = 7.8+/-0.8 days, Delta_t(BD) = -6.5+/-0.7 days and Delta_t_CD = -14.3+/-0.8 days. We spacially deconvolved HST NICMOS2 F160W images to derive accurate astrometry of the quasar images and to infer the light profile of the lensing galaxy. We combined these images with a stellar population fitting of a deep VLT spectrum of the lensing galaxy to estimate the baryonic fraction, $f_b$, in the Einstein radius. We measured f_b = 0.65+0.13-0.10 if the lensing galaxy has a Salpeter IMF and f_b = 0.45+0.04-0.07 if it has a Kroupa IMF. The spectrum also allowed us to estimate the velocity dispersion of the lensing galaxy, sigma_ap = 222+/-34 km/s. We used f_b and sigma_ap to constrain an analytical model of the lensing galaxy composed of an Hernquist plus generalized NFW profile. We solve the Jeans equations numerically for the model and explored the parameter space under the additional requirement that the model must predict the correct astrometry for the quasar images. Given the current error bars on f_b and sigma_ap, we did not constrain H0 yet with high accuracy, i.e., we found a broad range of models with chi^2 < 1. However, narrowing this range is possible, provided a better velocity dispersion measurement becomes available. In addition, increasing the depth of the current HST imaging data of HE 0435-1223 will allow us to combine our constraints with lens reconstruction techniques that make use of the full Einstein ring that is visible in this object.

연구 동기 및 목표

• 장기 광도 모니터링을 통해 강한 렌즈 효과를 받은 활성 은하핵 HE 0435-1223의 정밀한 시간 지연를 측정하기 위해.
• 스텔라르 패opulation 합성과 깊은 VLT 분광 측정을 통해 렌즈 성간 은하의 에인스타인 반경 내에서의 은하계 질량 비율을 결정하기 위해.
• 속도 분산 및 천체측위 데이터를 포함하여, 항성 및 암흑 물질 성분을 포함한 제인 모델링을 통해 렌즈의 잠재력 구조를 제약 조건에 따라 제한하기 위해.
• 시간 지연을 이용한 천체거리 측정법을 통해 표준 캔들 없이도 허블 상수를 독립적으로 추정할 수 있는지 평가하기 위해.
• 더 깊은 HST 이미징과 통합장역 분광법 등의 관측 향상 사항이 시간 지연 천체거리 측정에서 H₀ 제약 조건을 어떻게 향상시킬 수 있는지 파악하기 위해.

제안 방법

• 2004년부터 2010년까지 Euler, Mercator, Maidanak 천체망원경를 사용하여 R-대역에서 총 575개의 광도 측정점을 확보하여 시간 지연 측정을 수행하였다.
• HST NICMOS F160W 이미지의 공간 해조작을 수행하여 활성 은하핵 이미지와 렌즈 은하의 빛 분포에 대한 정밀한 천체측위를 확보하였다.
• 렌즈 은하의 깊은 VLT 스펙트럼을 스텔라르 패opulation 모델에 맞춰서 적합시켜, Salpeter 및 Kroupa 초기 질량 함수 하에서의 항성 질량-광도 비율과 은하계 질량 비율을 유도하였다.
• VLT 스펙트럼에서 렌즈 은하의 개구부 속도 분산을 σ_ap = 222 ± 34 km s⁻¹로 측정하였다.
• Hernquist (항성) 및 일반화된 NFW (암흑 물질) 프로파일을 포함한 복합 렌즈 모델을 구축하였으며, 천체측위 제약 조건 하에서 수치적으로 제인 방정식을 해결하였다.
• 근처 질량 구조를 고려하기 위해 외부 비틀림 및 SIS 성분(G22)을 포함한 매개변수 공간 탐색을 수행하였으며, 잠재적인 군집 수렴 효과에 대해서도 고려하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 렌즈 효과를 받은 활성 은하핵 HE 0435-1223의 네 개의 이미지 사이에서 정밀한 시간 지연는 무엇이며, 미크로렌즈 효과는 그 측정에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ2 렌즈 은하의 에인스타인 반경 내에서의 은하계 질량 비율은 얼마이며, 가정된 초기 질량 함수에 따라 어떻게 달라지는가?
• RQ3 시간 지연, 속도 분산 및 천체측위 데이터의 조합이 높은 정밀도로 허블 상수 H₀를 제약 조건에 따라 제한할 수 있는가?
• RQ4 외부 수렴 및 군집 환경으로 인한 렌즈 모델의 불확실성은 유도된 H₀ 값에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 시간 지연 천체거리 측정에서 렌즈 질량 구조와 H₀ 간의 혼동을 최소화하기 위해 어떤 후속 관측이 가장 효과적인가?

주요 결과

• 이미지 B를 기준으로 한 시간 지연는 Δt_BC = 7.8 ± 0.8 일, Δt_BD = -6.5 ± 0.7 일, Δt_CD = -14.3 ± 0.8 일이며, 장기 기간과 고밀도 샘플링 덕분에 오차가 10% 미만이다.
• 미크로렌즈 효과가 이미지 A에 크게 영향을 주므로, 시간 지연 측정의 기준점으로서 이미지 B가 최적임을 확인하였다.
• Salpeter IMF 하에서 에인스타인 반경 내 은하계 질량 비율은 f_b = 0.65⁺⁰.¹³₋₀.¹⁰이며, Kroupa IMF 하에서는 f_b = 0.45⁺⁰.⁰⁴₋₀.⁰⁷이다.
• VLT 분광 측정을 통해 렌즈 은하의 속도 분산는 σ_ap = 222 ± 34 km s⁻¹로 측정되었다.
• 최적의 렌즈 모델은 총 질량 기울기 γ′ = 2.1 ± 0.1을 예측하며, 이는 이전 연구와 일치하며, H₀의 범위는 57 < H₀ < 71 km s⁻¹ Mpc⁻¹로 추정된다.
• 현재 f_b 및 σ_ap의 불확실성으로 인해 H₀의 제약 조건이 느슨한 편이지만, 향후 속도 분산 측정 향상과 더 깊은 HST 이미징으로 오차를 약 1%로 줄일 수 있을 것으로 기대된다.