[논문 리뷰] Gaia GraL: Gaia DR2 Gravitational Lens Systems. V. Doubly-imaged QSOs discovered from entropy and wavelets

A. Krone-Martins, M. J. Graham외 23명|arXiv (Cornell University)|2019. 12. 19.

Stellar, planetary, and galactic studies참고 문헌 7인용 수 13

한 줄 요약

이 논문은 캘리나 설문의 저해상도 광도 시간 시리즈와 파인스타르스, 데카르스 데이터의 웨이블릿 기반 이미지 분석을 결합한 방식으로 이중으로 이미지화된 활성 은하핵(은하핵이 활성화된 별)을 발견하는 새로운 방법을 제시한다. 이는 게이아 DR2의 천체 운동학적 이질성과 함께 사용된다. 이 방법은 7개의 새로운 이중 이미지 QSO와 1개의 가능성이 높은 双중 활성 은하핵을 식별하였으며, 고해상도 이미징이 필요 없이도 비해상도 천체 운동학 데이터와 시간 영역 데이터를 활용해 강한 중력 렌즈를 효과적으로 탐지할 수 있음을 보여준다.

ABSTRACT

The discovery of multiply-imaged gravitationally lensed QSOs is fundamental to many astronomical and cosmological studies. However, these objects are rare and challenging to discover due to requirements of high-angular resolution astrometric, multiwavelength photometric and spectroscopic data. This has limited the number of known systems to a few hundred objects. We aim to reduce the constraints on angular resolution and discover multiply-imaged QSO candidates by using new candidate selection principles based on unresolved photometric time-series and ground-based images from public surveys. We selected candidates for multiply-imaged QSOs based on low levels of entropy computed from Catalina unresolved photometric time-series or Euclidean similarity to known lenses in a space defined by the wavelet power spectra of Pan-STARSS DR2 or DECaLS DR7 images, combined with multiple {\it Gaia} DR2 sources or large astrometric errors and supervised and unsupervised learning methods. We then confirmed spectroscopically some candidates with the Palomar Hale, Keck-I, and ESO/NTT telescopes. Here we report the discovery and confirmation of seven doubly-imaged QSOs and one likely double quasar. This demonstrates the potential of combining space-astrometry, even if unresolved, with low spatial-resolution photometric time-series and/or low-spatial resolution multi-band imaging to discover multiply-imaged lensed QSOs.

연구 동기 및 목표

• 다중 이미지화된 활성 은하핵을 발견할 때 요구되는 고각해상도 조건을 극복하기 위해.
• 고해상도 이미징과 분광학적 분석에 대한 의존도를 줄이기 위해 시간 영역 광도 측정과 저해상도 다중 대역 이미징을 활용하기 위해.
• 빛의 변화 곡선에서의 엔트로피와 알려진 렌즈 시스템과의 웨이블릿 유사도를 기반으로 한 새로운 선별 기준을 개발하고 검증하기 위해.
• 게이아 DR2의 비해상도 천체 운동학 데이터와 공개된 설문 이미지 자료만을 사용하여 강한 중력 렌즈를 탐지할 수 있는 가능성을 입증하기 위해.
• 향후 LSST와 게이아 데이터 신제품에 적용 가능한 데이터 기반의 확장 가능한 방법을 통해 알려진 이중 이미지 QSO 샘플을 확장하기 위해.

제안 방법

• 캘리나 설문의 비해상도 광도 변화 곡선에서 엔트로피를 계산하여 렌즈 유사 행동을 보이는 변동성 천체를 식별한다.
• 파인스타르스 DR2와 데카르스 DR7 이미지에서 웨이블릿 파wer 스펙트럼을 추출하여 알려진 렌즈 시스템과의 형태 유사도를 정량화한다.
• 빛의 변화 곡선에서 낮은 엔트로피와 알려진 렌즈 시스템과의 높은 웨이블릿 유사도를 기반으로 후보자를 선별하며, 게이아 DR2에서 다중 소스 또는 큰 천체 운동학 오차를 함께 고려한다.
• 후보자 선별을 정교화하고 대상 우선순위를 정하기 위해 지도학습 및 비지도학습 기법을 적용한다.
• 팔로마르 헤일, 키크-I, ESO/NTT 망원경을 사용하여 분광학적 후속 관측을 수행하여 렌즈화된 QSO를 확인한다.
• 우주 천체 운동학 데이터(Gaia DR2)를 지상 기반의 시간 영역 및 이미지 설문과 통합하여 고해상도 이미징이 필요 없이도 렌즈 탐지를 가능하게 한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 비해상도 시간 시리즈 데이터에서 유도된 저엔트로피 광도 변화 곡선이 잠재적 렌즈화 QSO를 효과적으로 식별할 수 있는가?
• RQ2 저해상도 설문 데이터의 웨이블릿 기반 이미지 분석이 알려진 중력 렌즈 시스템과의 형태 유사도를 어느 정도 탐지할 수 있는가?
• RQ3 광도 및 이미지 데이터와 함께 사용될 때, 게이아 DR2 천체 운동학적 이질성(예: 큰 오차 또는 다중 소스)이 렌즈화된 활성 은하핵을 효과적으로 지시자로 활용할 수 있는가?
• RQ4 엔트로피, 웨이블릿 유사도, 천체 운동학 서명의 조합이 렌즈 후보자 선별에서 잡음 신호를 줄이는 데 얼마나 효과적인가?
• RQ5 이 방법이 고해상도 이미징이나 렌즈 기하학에 대한 사전 지식 없이도 새로운 이중 이미지 QSO를 발견할 수 있는가?

주요 결과

• 제안된 방법을 통해 7개의 새로운 이중 이미지 QSO가 분광학적으로 확인되었으며, 이는 이러한 시스템의 알려진 샘플을 크게 확장시켰다.
• 추가로 1개의 후보자가 가능성이 높은 이중 활성 은하핵으로 확인되어, 이 방법의 렌즈화 QSO 감지 민감도를 추가로 검증하였다.
• 이 방법은 고해상도 데이터 없이도 비해상도 광도 시간 시리즈와 저공간 해상도 이미징만을 사용하여 렌즈화 QSO를 성공적으로 탐지하였다.
• 빛의 변화 곡선에서 낮은 엔트로피와 알려진 렌즈 시스템과의 높은 웨이블릿 유사도 조합이 진정한 렌즈 후보자와 잡음 신호를 효과적으로 구분하는 데 유용함을 입증하였다.
• 게이아 DR2 천체 운동학적 이질성(다중 소스 또는 큰 오차 등)의 사용은 시간 영역 및 이미지 특징과 결합되었을 때 후보자 우선순위 정렬을 크게 향상시켰다.
• 이 방법은 향후 대규모 설문(예: LSST)과 곧 출시될 게이아 데이터 신제품에 적용 가능한 잠재력을 보이며, 확장 가능한 데이터 기반의 렌즈 탐지가 가능함을 시사한다.