[논문 리뷰] Multi-wavelength study of the gravitational lens system RXS J113155.4-123155: I. Multi-epoch optical and near infrared imaging

Dominique Sluse, Jean-François Claeskens외 7명|ArXiv.org|2005. 12. 19.

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena참고 문헌 53인용 수 14

한 줄 요약

이 연구는 HST, ESO 및 CFHT 데이터를 사용하여 중력 렌즈 시스템 RXS J1131-123155의 다중 에포크 광학 및 적외선 이미징을 수행하고, MCS 탈분해 방법을 적용하여 활성 은하핵 점원천의 밝기와 그 은하핵 주변의 확산된 빛을 분리하여 밝기 변화를 정확하게 측정하였다. 주요 발견은 미크로렌즈 효과와 복잡한 렌즈 전위(특히 8차 모멘트 항)가 함께 작용하여 비정상적인 밝기 비율을 설명하며, 렌즈 은하 내에 거대한 부구조가 필요하다는 것을 도전하는 바이다.

ABSTRACT

(abridged) Aims: RXS J113155.4-123155 (z=0.66) is a quadruply imaged lensed quasar with a resolved Einstein Ring. The goal of this paper is to provide a full characterization of this system, and more particularly accurate astrometry and photometry. Method: Visible and near-infrared imaging observations of RXS J113155.4-123155 were carried out at various epochs using several ground based telescopes and the HST. The frames have been deconvolved using the MCS algorithm. A Singular Isothermal Ellipsoid (SIE) + external shear has been used to model the lensing galaxy potential. Results: MCS deconvolution enables us to separate the flux of the QSO (point-like images) from that of its host galaxy and to accurately track the flux variations of the point-like images in various filters. The deconvolved frames unveil several multiply imaged structures in the Einstein ring and an unidentified object in the vicinity of the lensing galaxy. We discuss the lightcurves and the chromatic flux ratio variations and deduce that both intrinsic variability and microlensing took place during a span longer than one year. We demonstrate that microlensing may easily account for the so called anomalous flux ratios presented in the discovery paper. However, the observed flux ratios are still poorly reproduced when modeling the lens potential with a SIE+shear. We argue that this disagreement can hardly be explained by milli-lensing caused by substructures in the lensing galaxy. A solution proposed in Paper II consists in a more complex lens model including an octupole term to the lens gravitational potential.

연구 동기 및 목표

• 정확한 천체측위 및 밝기 측정을 통해 RXS J1131-123155의 4중 이미지 활성 은하핵을 정밀한 렌즈 모델링에 활용하기 위해 노력한다.
• 에인슈타인 링 시스템에서 비정상적인 밝기 비율의 기원을 규명하며, 특히 표준 SIE+shear 모델 예측과 관측된 밝기 비율 간의 괴리 원인을 분석한다.
• 시간에 따른 밝기 비율 변화와 파장에 따른 변화에서 미크로렌즈 효과와 활성 은하핵의 내재적 변화가 차지하는 비중을 평가한다.
• 관측된 밝기 이질성이 렌즈 은하 내의 부구조에 의해 설명되는지, 아니면 렌즈 전위의 고차 다항항에 의해 설명되는지 판단한다.
• 빛이 강한 에인슈타인 링으로 인해 점원천 이미지의 밝기 측정이 복잡해지는 상황에서의 광학적 정밀도 한계를 설정한다.

제안 방법

• HST, ESO VLT 및 CFHT 망원경을 사용하여 다양한 필터를 통해 다중 에포크 광학 및 적외선 이미징을 확보하였다.
• MCS(최대 곡률 탈분해) 알고리즘을 적용하여 이미지를 탈분해하고, 밝기 측정을 유지하면서 점원천과 확산원천의 밝기 성분을 분리하였다.
• 렌즈 전위를 단일 등방성 타원체(SIE)에 외부 휘어짐을 더한 모델로 설정하였으며, 이후 제2편에서 8차 항을 포함한 확장된 모델을 사용하였다.
• 2002년 11월부터 2004년 4월까지 필터 및 시간에 따른 네 개의 활성 은하핵 이미지의 밝기 변화를 추적하여 내재적 변화와 미크로렌즈 효과를 식별하였다.
• Mao & Schneider(1998)의 $R_{\rm{cusp}}$ 관계를 사용하여 소규모 구조의 존재를 제약하고, 그가 밝기 비율에 미치는 영향을 평가하였다.
• 특히 R 대역에서 강한 에인슈타인 링이 중첩되어 발생하는 체계적 밝기 오차를 정량화하였으며, 광자 노이즈 한계 근처에서의 밝기 정밀도를 평가하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 SIE+shear 모델 예측과 다름없이 나타나는 RXS J1131-123155의 4중 이미지 활성 은하핵에서 비정상적인 밝기 비율은 무엇에 기인하는가?
• RQ2 1년 이상의 기간 동안 관측된 렌즈 이미지의 밝기 변화에서 내재적 활성 은하핵 변화와 미크로렌즈 효과가 차지하는 비중은 어느 정도인가?
• RQ3 색채성 밝기 비율 변화는 차등 흡수 또는 미크로렌즈 효과로 설명될 수 있는가?
• RQ4 관측된 밝기 비율 이질성은 거대한 부구조(예: 밀리렌즈)에 의해 설명되는 것이 바람직한가, 아니면 매크로렌즈 전위의 고차 다항항에 의해 설명되는 것이 바람직한가?
• RQ5 에인슈타인 링이 렌즈 활성 은하핵 이미지 위에 중첩된 상황에서 점원천 이미지의 밝기 정밀도는 어느 정도 달성 가능한가?

주요 결과

• MCS 탈분해 방법을 통해 광학에서 적외선까지의 렌즈 활성 은하핵 이미지에 대해 처음으로 상대적·절대적 밝기 측정을 수행하였으며, B 및 V 대역에서 광자 노이즈 한계에 가까운 밝기 정밀도를 확보하였다.
• 이미지 A에서 최대 0.3 mag의 밝기 변화가 관측되어 내재적 활성 은하핵 변화와 미크로렌즈 효과가 함께 작용함을 시사한다.
• 색채성 밝기 비율 변화는 낮은 차등 흡수를 지지하며, 이는 먼지 효과보다는 미크로렌즈 효과의 존재를 뒷받침한다.
• 미크로렌즈 효과만으로는 비정상적인 밝기 비율을 완전히 설명할 수 없다. 시나리오 S1(안장점 이미지 A의 탈증폭)에서는 미크로렌즈 효과가 관측과 일치하지만, 시나리오 S2(이미지 B와 C가 동시에 증폭)에서는 A를 증폭시키기 위해 거대한 부구조가 필요하며, 이는 낮은 확률의 시나리오이다.
• 관측된 밝기 비율은 SIE+shear 모델로는 잘 재현되지 않으며, 부구조에 의한 밀리렌즈 효과도 데이터를 충분히 설명하지 못한다. 특히 시나리오 S1에서는 더욱 그렇다.
• 제2편에서 도입된 렌즈 전위의 8차 항(m=4)은 관측된 밝기 비율 $I_{\rm{B}}/I_{\rm{C}}$와 상대적 이미지 위치를 성공적으로 재현하며, 복잡한 매크로렌즈 전위가 부구조를 도입하지 않고도 이 anomaly를 해결할 수 있음을 시사한다.