[논문 리뷰] Forward modelling of quasar light curves and the cosmological matter power spectrum on milliparsec scales

Mansour Karami, Niayesh Afshordi외 1명|arXiv (Cornell University)|2018. 05. 17.

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena참고 문헌 21인용 수 6

한 줄 요약

이 논문은 강한 렌즈 효과를 겪는 활성은하핵의 광선 곡선에서 시간 지연, 내재된 활성은하핵 변동성, 중력 렌즈 효과에 의한 변동을 동시에 모델링하기 위해 새로운 몬테카를로 마르코프 체인(MCMC) 방법을 제시한다. 이는 소규모 스케일에서 기원하는 스칼라 파wer 스펙트럼에 대해 현재까지 가장 강력한 제약 조건을 도출하며, $\mathcal{P}_{\mathcal{R}} < 3 \times 10^{-9}$ at $k_{\rm L} \sim 3~\mathrm{pc}^{-1}$로, $\Lambda\mathrm{CDM}$ 예측과 일치한다.

ABSTRACT

We devise an optimal method to measure the temporal power spectrum of the lensing and intrinsic fluctuations of multiply-imaged strongly lensed quasar light curves, along with the associated time delays. The method is based on a Monte-Carlo Markov Chain (MCMC) sampling of a putative gaussian likelihood, and accurately recovers the input properties of simulated light curves, as well as the "Time Delay Challenge". We apply this method to constrain the dimensionless cosmological (non-linear) matter power spectrum on milliparsec scales (comparable to the size of the solar system), to $Δ_{ m NL}^2&lt; 4 imes 10^7$ at $k_{ m NL} \sim 10^3 { m pc}^{-1}$. Using a semi-analytic nonlinear clustering model which is calibrated to simulations, the corresponding constraint on the primordial (linear) scalar power spectrum is ${\cal P}_{\cal R} &lt; 3 imes 10^{-9}$ at $k_{ m L}\sim$ 3 pc$^{-1}$. This is the strongest constraint on primordial power spectrum at these scales, and is within an order of magnitude from the standard $Λ$CDM prediction. We also report measurements of temporal spectra for intrinsic variabilities of quasar light curves, which can be used to constrain the size of the emitting region in accretion disks. Future cadenced optical imaging surveys, such as LSST, should increase the number of observed strongly lensed quasars by 3 orders of magnitude and significantly improve these measurements, even though improvements in modelling quasar accretion and stellar microlensing are necessary.

연구 동기 및 목표

• 다중 영상 활성은하핵 광선 곡선에서 시간 지연, 내재된 활성은하핵 변동성, 렌즈 효과에 의한 변동을 동시에 맞추는 강력한 정방향 모델링 프레임워크를 개발한다.
• 렌즈 효과를 겪는 활성은하핵의 관측된 시간 영역 파워 스펙트럼을 이용하여 밀리파섹 스케일에서의 비선형 우주론적 물질 파워 스펙트럼을 제약 조건화한다.
• 교정된 반분석 모델을 사용하여 비선형 물질 파워 스펙트럼에 대한 제약 조건을 기원하는 선형 스칼라 파워 스펙트럼에 변환한다.
• 내재된 활성은하핵 변동성의 시간 영역 파워 스펙트럼을 측정하여, 물질 순환 디스크 크기와 방출 구조에 대한 통찰을 제공한다.
• 현재 및 향후 옵티컬 설문 조사에서 암흑 물질 나노구조에 의한 일시적 약한 렌즈 효과를 탐지할 수 있는 가능성 여부를 평가한다.

제안 방법

• 관측된 광선 곡선에서 구성된 정규 분포 확률 밀도 함수를 기반으로 몬테카를로 마르코프 체인(MCMC) 샘플링 기법을 사용한다.
• 관측된 광선 곡선을 세 가지 성분의 합으로 모델링한다: 내재된 활성은하핵 변동성, 렌즈 영상 간의 시간 지연, 항성 마이크로렌즈 및 암흑 물질 준구조에 의한 렌즈 효과 변동성.
• N-바디 시뮬레이션에 기반한 교정된 반분석 모델(P2SAD)을 사용하여 비선형 물질 파워 스펙트럼과 선형 기원 파워 스펙트럼 간의 관계를 설정한다.
• 활성은하핵 디스크의 유한한 크기 방출 영역 모델을 도입하며, 크기를 피팅 과정의 자유 매개변수로 포함시킨다.
• 시간 지연 도전 과제(TDC) 데이터셋을 사용하여 방법의 유효성을 검증하였으며, 시간 지연과 파워 스펙트럼을 하위 백분율 정확도로 정확히 복원함을 입증하였다.
• 실제로 관측된 COSMOGRAIL 광선 곡선을 이용하여 여섯 개의 강한 렌즈 효과를 겪는 활성은하핵 시스템에 대해 물질 파워 스펙트럼의 상한선을 도출하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 통합된 정방향 모델링 접근법은 활성은하핵 광선 곡선으로부터 시간 지연, 내재된 변동성, 렌즈 효과 변동성을 정확하게 회복할 수 있는가?
• RQ2 현재 옵티컬 광선 곡선으로부터 밀리파섹 스케일에서 비선형 물질 파워 스펙트럼에 대한 가장 날카로운 제약 조건은 무엇인가?
• RQ3 활성은하핵 방출 영역 크기의 불확실성은 물질 파워 스펙트럼과 기원 파워 스펙트럼 제약 조건에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 내재된 활성은하핵 변동성의 시간 영역 파워 스펙트럼은 신뢰성 있게 측정할 수 있으며, 이를 통해 물질 순환 디스크 크기를 추정할 수 있는가?
• RQ5 향후 설문 조사인 LSST는 암흑 물질 준구조 및 기원 파워 스펙트럼에 대한 제약 조건을 어느 정도 향상시킬 수 있는가?

주요 결과

• 시간 지연 도전 과제 데이터셋에서 시간 지연과 파워 스펙트럼을 하위 백분율 정확도로 성공적으로 복원하여, 방법의 강건성을 검증하였다.
• 비차원화된 비선형 물질 파워 스펙트럼에 대한 가장 강력한 제약 조건은 $\Delta_{\rm NL}^2 < 4 \times 10^7$ at $k_{\rm NL} \sim 10^3~\mathrm{pc}^{-1}$이며, 이는 밀리파섹 스케일에 해당한다.
• P2SAD 모델을 사용하여 이는 $\mathcal{P}_{\mathcal{R}} < 3 \times 10^{-9}$ at $k_{\rm L} \sim 3~\mathrm{pc}^{-1}$로 변환되며, 이는 현재까지 가장 날카로운 제약 조건이다.
• 기원 파워 스펙트럼에 대한 제약 조건은 $\Lambda\mathrm{CDM}$ 예측과 수십 배 이내여서, 소규모 스케일에서 표준 모델이 잘 맞는다는 것을 지지한다.
• 여러 활성은하핵에 대해 내재된 변동성 파워 스펙트럼이 측정되었으며, 특히 J1206+4332 시스템에서 물질 순환 디스크 크기를 추정하는 데 응용 가능성이 있다.
• 향후 설문 조사인 LSST는 관측된 강한 렌즈 효과를 겪는 활성은하핵의 수를 세 배수로 증가시켜 통계적 정밀도 향상에 기여할 것으로 기대된다.