[논문 리뷰] COSMOGRAIL: the COSmological MOnitoring of GRAvItational Lenses VII. Time delays and the Hubble constant from WFI J2033-4723

C. Vuissoz, F. Courbin외 11명|Zurich Open Repository and Archive (University of Zurich)|2008. 03. 27.

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena참고 문헌 33인용 수 45

한 줄 요약

이 연구는 EULER 및 SMARTS 망원경에서 3년간의 R-대역 모니터링을 통해 4중 렌즈 효과를 보이는 활성은하핵 WFI J2033–4723의 시간 지연를 측정하여 각각 3.8% 및 6.5%의 정밀도를 달성하였다. 비모수적 모델링을 통해 H₀ = 67⁺¹³₋₁₀ km s⁻¹ Mpc⁻¹을 유도하였고, 단일 등온 구형 모델을 사용하여 H₀ = 63⁺⁷₋³ km s⁻¹ Mpc⁻¹를 산출하였으며, 이는 공존 우주론과 일치한다. 광도 비율 분석 결과 단기적 미크로렌즈 효과는 관측되지 않았지만, 이질성은 장기적 색깔 의존성 미크로렌즈의 존재를 시사한다.

ABSTRACT

Gravitationally lensed quasars can be used to map the mass distribution in lensing galaxies and to estimate the Hubble constant H0 by measuring the time delays between the quasar images. Here we report the measurement of two independent time delays in the quadruply imaged quasar WFI J2033-4723 (z = 1.66). Our data consist of R-band images obtained with the Swiss 1.2 m EULER telescope located at La Silla and with the 1.3 m SMARTS telescope located at Cerro Tololo. The light curves have 218 independent epochs spanning 3 full years of monitoring between March 2004 and May 2007, with a mean temporal sampling of one observation every 4th day. We measure the time delays using three different techniques, and we obtain Dt(B-A) = 35.5 +- 1.4 days (3.8%) and Dt(B-C) = 62.6 +4.1/-2.3 days (+6.5%/-3.7%), where A is a composite of the close, merging image pair. After correcting for the time delays, we find R-band flux ratios of F_A/F_B = 2.88 +- 0.04, F_A/F_C = 3.38 +- 0.06, and F_A1/F_A2 = 1.37 +- 0.05 with no evidence for microlensing variability over a time scale of three years. However, these flux ratios do not agree with those measured in the quasar emission lines, suggesting that longer term microlensing is present. Our estimate of H0 agrees with the concordance value: non-parametric modeling of the lensing galaxy predicts H0 = 67 +13/-10 km s-1 Mpc-1, while the Single Isothermal Sphere model yields H0 = 63 +7/-3 km s-1 Mpc-1 (68% confidence level). More complex lens models using a composite de Vaucouleurs plus NFW galaxy mass profile show twisting of the mass isocontours in the lensing galaxy, as do the non-parametric models. As all models also require a significant external shear, this suggests that the lens is a member of the group of galaxies seen in field of view of WFI J2033-4723.

연구 동기 및 목표

• 장기적인 광학 모니터링을 통해 4중 이미지로 나타나는 활성은하핵 WFI J2033–4723의 정밀한 시간 지연를 측정하는 것.
• 지역 거리 계단 캘리브레이션에 의존하지 않고 시간 지연와 렌즈 질량 모델링을 통해 허블 상수 H₀를 추정하는 것.
• 3년 간의 기간 동안 광도 비율에 대한 미크로렌즈의 존재와 영향을 평가하는 것.
• 렌즈 효과를 일으키는 은하의 질량 분포와 그 환경을 조사하며, 외부 전단 및 군집 상호작용을 포함하는 것.

제안 방법

• 2004년 3월부터 2007년 5월까지 3년간 1.2m EULER 및 1.3m SMARTS 망원경을 사용해 총 218회의 R-대역 강도 측정을 수행하였으며, 평균 관측 간격은 4일이었다.
• 점원함수(Peak Spread Function, PSF)의 변화를 보정하기 위해 MCS 분해 광도 측정 알고리즘을 적용하여 각 이미지의 광 light curves를 추출하였다.
• 정확도를 높이고 체계적 오차를 줄이기 위해 시간 지연를 측정하기 위해 세 가지 독립된 기법을 적용하였다.
• 모수적(예: 단일 등온 구형, de Vaucouleurs + NFW) 및 비모수적 렌즈 모델을 구성하여 질량 분포와 임계 표면 밀도 등고선을 추론하였다.
• 환경적 영향을 반영하기 위해 외부 전단 및 다수의 은하(G1, G2 및 약 9″ 북쪽에 위치한 군집)를 렌즈 모델에 통합하였다.
• 시간 지연와 광도 비율을 제약 조건으로 삼아, 특히 H₀와 같은 우주론적 파rameter와 일치하는지 검증하기 위해 렌즈 모델의 일관성을 평가하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 중력 렌즈 효과를 받는 활성은하핵 WFI J2033–4723의 다중 이미지 간 시간 지연는 무엇인가?
• RQ2 측정된 시간 지연와 렌즈 질량 모델을 기반으로 유도되는 허블 상수 H₀의 값은 얼마인가?
• RQ3 3년간의 모니터링 기간 동안 광도 비율에 대한 미크로렌즈 변동성이 관측되는가?
• RQ4 렌즈 효과를 일으키는 은하의 질량 분포와 등밀도 등고선은 그 빛나는 구조와 어떻게 비교되는가? 이는 그 환경에 대해 어떤 시사점을 갖는가?
• RQ5 관측된 광학적 광도 비율이 활성은하핵의 방출선에서 측정된 비율과 어긋나는 이유는 무엇이며, 이는 장기적 또는 색깔 의존성 미크로렌즈의 존재를 시사하는가?

주요 결과

• 이미지 B와 A(여기서 A는 A₁과 A₂의 혼합물임) 사이의 시간 지연는 Δt_{B-A} = 35.5 ± 1.4 일(3.8%의 불확실성)로 측정되었다.
• 이미지 B와 C 사이의 시간 지연는 Δt_{B-C} = 62.6⁺⁴.¹₋₂.³ 일(6.5%의 불확실성)로 측정되었으며, 비정규 분포 오차 전파로 인해 불확실성이 비대칭이다.
• 비모수적 렌즈 모델을 통해 H₀ = 67⁺¹³₋₁₀ km s⁻¹ Mpc⁻¹를 도출하였으며, 이는 공존 우주론적 값과 일치한다.
• 단일 등온 구형 모델을 사용한 결과 H₀ = 63⁺⁷₋³ km s⁻¹ Mpc⁻¹를 산출하였으며, 이 역시 공존 우주론적 값과 일치한다.
• 3년 간의 R-대역 광도 비율에서 유의미한 미크로렌즈 변동성은 관측되지 않았으며, F_A/F_B = 2.88 ± 0.04 및 F_A/F_C = 3.38 ± 0.06로 측정되었다.
• 이미지 B와 C의 MgII 방출선 간 45%의 광도 비율 이질성과 파장 의존성 광도 비율은, 옵티컬 연속기에서 감지되지 않은 장기적 또는 색깔 의존성 미크로렌즈의 존재를 시사한다.