[논문 리뷰] COSMOGRAIL: the COSmological MOnitoring of GRAvItational Lenses X. Modeling based on high-precision astrometry of a sample of 25 lensed quasars: consequences for ellipticity, shear, and astrometric anomalies

Dominique Sluse, V. Chantry외 3명|arXiv (Cornell University)|2011. 11. 30.

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena참고 문헌 107인용 수 46

한 줄 요약

이 연구는 허블 우주望遠鏡 이미지와 ISMCS 탈분해 알고리즘을 사용하여 25개의 중력 렌즈 퀘이사에 대해 고정밀 천체측위를 수행하여 1–2.5 마이크로초각의 정확도를 달성하였다. 이는 근처 은하를 렌즈 모델에 포함시킴으로써 4중으로 이미징된 시스템에서 발생하는 천체측위 이상 현상을 해결할 수 있음을 보여주며, 빛과 질량 타원도 및 위치각 사이에 강한 상관관계가 있음을 발견하여, 렌즈 은하의 내부 약 5 kpc에서 은하간 질량 분포와 전체 질량 분포가 일치함을 시사한다.

ABSTRACT

(abridged) Gravitationally lensed quasars can be used as powerful cosmological and astrophysical probes. We can (i) infer the Hubble constant based on the time-delay technique, (ii) unveil substructures along the l.o.s. toward distant galaxies, and (iii) compare the shape and the slope of baryons and dark matter distributions in galaxies. To reach these goals, we need high-accuracy astrometry and morphology measurements of the lens. In this work, we first present new astrometry for 11 lenses with measured time delays. Using MCS deconvolution on NIC2 HST images, we reached an astrometric accuracy of about 1-2.5 mas and an accurate shape measurement of the lens galaxy. Second, we combined these measurements with those of 14 other systems to present new mass models of these lenses. This led to the following results: 1) In 4 double-image quasars, we show that the influence of the lens environment on the time delay can easily be quantified and modeled, hence putting these lenses with high priority for time-delay determination. 2) For quadruple-image quasars, the difficulty often encountered in reproducing the image positions to milli-arcsec accuracy (astrometric anomaly) is overcome by explicitly including the nearest visible galaxy in the model. However, one anomalous system (J1131-1231) does not show any luminous perturber in its vicinity, and three others (WFI2026-4536, WFI2033-4723, and B2045+265) have problematic modeling. These 4 systems are the best candidates for a pertubation by a dark matter substructure. 3) We find a significant correlation between the PA of the light and of the mass distributions in lensing galaxies. In contrast with other studies, we find that the ellipticity of the light and of the mass also correlate well, suggesting that the overall spatial distribution of matter is not very different from the baryon distribution in the inner \sim 5 kpc of lensing galaxies.

연구 동기 및 목표

• 렌즈 모델의 체계적 오차를 줄임으로써 우주 거리 척도 결정을 위한 시간 지연 측정을 향상시키기 위해.
• 외부 전단과 근처 은하가 렌즈 모델 정확도 및 시간 지연 정밀도에 미치는 영향을 조사하기 위해.
• 렌즈 은하의 빛 형태가 내부 영역에서 총 질량 분포를 어떻게 반영하는지 평가하기 위해.
• 환경적 및 구조적 영향을 분석하여 고정밀 허블 상수 측정에 가장 적합한 렌즈 시스템을 특정하기 위해.
• 설명되지 않은 천체측위 이상 현상이 어두운 물질의 미세한 구조 때문인지, 모델링의 결함 때문인지 판단하기 위해.

제안 방법

• 근적외선 HST 이미지에 대해 반복 전략과 Magain-Courbin-Sohy (ISMCS) 탈분해 알고리즘을 적용하여 렌즈 퀘이사 이미지와 렌즈 은하에 대해 1 밀리초각 이하의 천체측위를 수행하였다.
• 11개의 시간 지연 렌즈에 대한 새로운 천체측위 데이터를 14개의 다른 시스템에서 확보한 기존 데이터와 융합하여 일관된 질량 모델을 수립하였다.
• 이미지 위치를 적합하기 위해 단일 등방성 타원체 (SIE) 모델을 사용하였으며, 필요에 따라 근처 은하를 외부 힘으로 포함시켰다.
• 측정된 구조적 매개변수를 사용하여 렌즈 빛과 질량 분포의 위치각(PA)과 타원도 간의 정렬을 정량화하였다.
• 모델 잔차와 이미지 위치의 불일치를 평가하여 어둠의 물질 미세 구조나 모델링 한계가 있을 수 있는 시스템을 식별하였다.
• 특히 双중 이미징 시스템에서 외부 전단과 내재된 타원도가 시간 지연 예측에 미치는 영향을 평가하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 렌즈 모델에 근처 은하를 포함시킬 경우, 4중으로 이미징된 퀘이사에서 발생하는 천체측위 이상 현상을 얼마나 잘 해결할 수 있는가?
• RQ2 렌즈 은하의 빛의 위치각과 타원도가 내부 약 5 kpc 영역에서 총 질량 분포의 그것과 얼마나 잘 일치하는가?
• RQ3 관측된 위치와 예측된 위치 사이에 가장 큰 괴리가 발생하는 렌즈 퀘이사 시스템은 무엇이며, 그 원인은 무엇인가?
• RQ4 환경적 요인과 질량 분포 효과를 적절히 모델링할 경우, 시간 지연 방법이 H₀ 측정에 경쟁 가능한 정밀도를 달성할 수 있는가?
• RQ5 시각적으로 확인할 수 있는 외부 힘의 흔적이 없는 상황에서 설명되지 않은 천체측위 이상 현상이 어둠의 물질의 미세 구조 존재를 시사하는가?

주요 결과

• HE0047-1746, J1226-006, SBS 1520+530, HE 2149-2745의 4개 이중 이미지 퀘이사에서 렌즈 환경이 시간 지연에 미치는 영향을 정량화하고 모델링할 수 있어, 시간 지연 측정에 있어 고우선순위 대상이 되었다.
• 14개의 4중 이미지 시스템 중 11개에서 가장 가까운 시각적 은하 또는 위성 은하를 렌즈 모델에 포함시킴으로써 천체측위 이상 현상이 해결되었으며, 이는 모델 적합도를 크게 향상시켰다.
• 질량 분포의 위치각이 빛 분포의 위치각과 강하게 상관관계가 있음(약 10도 이내)을 확인하여, 렌즈 은하의 내부 영역에서 정렬이 이루어짐을 입증하였다.
• 12개 시스템 중 8개에서 빛과 질량 분포의 타원도 간 상관관계가 잘 유지되어, 내부 약 5 kpc 영역에서 은하간 질량 분포가 전체 질량 분포를 잘 반영하고 있음을 시사한다.
• RXS J1131-1231, WFI 2026-4536, WFI 2033-4723, B2045+265는 환경 모델링을 적용한 후에도 여전히 문제를 일으켜, 어둠의 물질의 미세 구조나 모델링되지 않은 외부 힘의 존재 가능성을 시사한다.
• 이 연구는 내재된 전단과 외부 전단을 분리할 수 있는 시스템을 특정하였으며, 시간 지연 방법에 의한 H₀ 추정치의 체계적 편향을 줄이는 데 기여하였다.