[논문 리뷰] Lensing effects in an inhomogeneous universe

Lars Bergström, Martin Goliath외 2명|arXiv (Cornell University)|1999. 12. 09.

Relativity and Gravitational Theory참고 문헌 5인용 수 6

한 줄 요약

이 논문은 Holz & Wald의 렌즈 효과 방법을 압력이 있는 다수의 유체 성분과 현실적인 다크 물질 허브 프로파일(NFW 및 등온 구체)을 포함하도록 일반화하여, 고적색저자성 초신성 관측이 다크 물질 분포의 거시적 특징—특히 점입자 형태의 물체 존재—를 드러내는 데 기여할 수 있음을 보여준다. 이는 NFW 및 등온 모델 간의 렌즈 효과가 은하 빛의 강도에 따라 정규화되었을 때 유사하기 때문에 가능하다.

ABSTRACT

Recently, Holz & Wald have presented a new method for determining gravitational lensing effects on, e.g., supernova luminosity versus redshift measurements in inhomogeneous universes. In this paper, their method is generalized in several ways: First, the matter content is allowed to consist of several different types of fluids, possibly with non-vanishing pressure. Second, besides lensing by simple point masses and singular isothermal spheres, the more realistic halo dark matter distribution proposed by Navarro, Frenk & White (NFW), based on N-body simulation results, is treated. We discuss various aspects of the accuracy of the method, such as luminosity corrections, and statistics, for multiple images. We find in agreement with other recent work that a large sample of supernovae at large redshift could be used to extract gross features of the mass distribution of the lensing dark matter halos, such as the existence of a large number of point-like objects. The results for the isothermal sphere and the NFW model are, however, very similar if normalized to the observed luminosity distribution of galaxies. We give convenient analytical fitting formulas for our computed lensing probabilites as a function of magnification, for several redshifts.

연구 동기 및 목표

• 압력이 없는 다수의 유체 성분을 포함한 Holz & Wald의 렌즈 이론 프레임워크를 확장하기 위해.
• N-체 시뮬레이션에서 유도된 NFW 밀도 프로파일을 사용하여 현실적인 다크 물질 허브를 모델링하기 위해.
• 다중 영상 및 빛의 강도 보정에 대한 렌즈 확률 계산의 정확도를 평가하기 위해.
• 고적색저자성 초신성 관측이 렌즈 효과를 일으키는 허브의 대규모 질량 분포를 제약할 수 있는지 확인하기 위해.
• 적색저자성 및 증폭도에 따른 렌즈 확률을 기술하는 분석적 피팅 공식을 제공하기 위해.

제안 방법

• 비균일 우주에서 압력이 없는 다수의 유체 성분을 수용할 수 있도록 렌즈 이론 프ORMALISM을 일반화하기 위해.
• Navarro-Frenk-White(NFW) 밀도 프로파일을 다크 물질 허브의 현실적인 모델로 통합하기 위해.
• 관측된 은하 빛의 강도에 따라 정규화된 조건에서 렌즈 효과를 비교하기 위해 등온 구체 모델을 사용하기 위해.
• 다양한 적색저자성에서의 초신성에 대한 증폭도 확률을 계산하기 위해 방법을 적용하기 위해.
• 증폭도 및 적색저자성에 따른 렌즈 확률에 대한 분석적 피팅 공식을 유도하기 위해.
• 다중 영상 상황에서의 통계적 영향 및 빛의 강도 보정을 평가하기 위해.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 관측된 은하 빛의 강도에 따라 정규화되었을 때, NFW 프로파일과 등온 구체 모델 간의 렌즈 효과는 어떻게 다를까?
• RQ2 고적색저자성 초신성 관측이 다크 물질 분포 내 점입자 형태의 렌즈 물체 존재 여부를 어느 정도 제약할 수 있을까?
• RQ3 압력이 없는 유체 성분이 비균일 우주 모델에서 중력 렌즈 효과에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 실제 허브 모델에서 다양한 증폭도 및 적색저자성에 대한 정확한 렌즈 확률 분포는 무엇인가?
• RQ5 관측에 활용하기 위한 목적으로 적색저자성 및 증폭도에 따라 렌즈 확률을 기술하는 분석적 피팅 공식을 유도할 수 있는가?

주요 결과

• NFW 및 등온 구체 모델 간의 렌즈 효과는 관측된 은하 빛의 강도 분포에 따라 정규화되었을 때 매우 유사하다.
• 고적색저자성 초신성의 대규모 샘플은 렌즈 효과를 일으키는 다크 물질 허브의 질량 분포에서 거시적 특징—특히 점입자 형태의 물체가 다수 존재하는 것—을 추출할 수 있다.
• 이 방법은 다중 영상에 대한 정확한 빛의 강도 보정 및 통계적 처리를 통해 렌즈 확률을 성공적으로 계산하였다.
• 관측 천문학에서 실용적으로 사용하기 위해 증폭도 및 적색저자성에 따른 렌즈 확률에 대한 분석적 피팅 공식이 제공되었다.
• 압력이 없는 다수의 유체 성분을 포함하더라도 모델의 가정 하에 전체 렌즈 행동에 큰 영향을 주지 않았다.
• 결과는 초신성 관측을 통해 약한 및 강한 렌즈 효과를 통해 다크 물질 허브의 성질을 탐구하는 것이 가능하다는 것을 뒷받침한다.