[논문 리뷰] Strong lensing in the MareNostrum Universe II: scaling relations and optical depths

C. Fedeli, M. Meneghetti외 2명|arXiv (Cornell University)|2010. 07. 09.

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena참고 문헌 52인용 수 10

한 줄 요약

이 연구는 마레누스트룸 우주론적 시뮬레이션을 활용하여 은하단의 강한 렌즈 효과를 분석하며, 렌즈 단면적과 복합질량 및 X선 복사원의 밀접한 상관관계를 규명한다. 이 연구는 정확한 진짜 광학적 두께를 재현하는 빠른 합성 광학적 두께 모델을 제안하여, 계산 비용이 큰 전면 시뮬레이션을 대체한다. 이 모델은 X선 복사원이 높은 은하단만을 선별할 경우 30–40%의 거대 아크가 빠지게 되며, 고적색도에서의 강한 렌즈 효과는 주로 역학적으로 안정되지 않은 시스템에 의해 지배됨을 드러낸다.

ABSTRACT

The strong lensing events that are observed in compact clusters of galaxies can, both statistically and individually, return important clues about the structural properties of the most massive structures in the Universe. Substantial work is ongoing in order to understand the degree of similarity between the lensing cluster population and the population of clusters as a whole, with members of the former being likely more massive, compact, and substructured than members of the latter. In this work we exploit synthetic clusters extracted from the {\sc MareNostrum Universe} cosmological simulation in order to estimate the correlation between the strong lensing efficiency and other bulk properties of lensing clusters, such as the virial mass and the bolometric X-ray luminosity. We found that a positive correlation exist between all these quantities, with the substantial scatter being smaller for the luminosity-cross section relation. We additionally used the relation between the lensing efficiency and the virial mass in order to construct a synthetic optical depth that agrees well with the true one, while being extremely faster to be evaluated. We finally estimated what fraction of the total giant arc abundance is recovered when galaxy clusters are selected according to their dynamical activity or their X-ray luminosity. Our results show that there is a high probability for high-redshift strong lensing clusters to be substantially far away from dynamical equilibrium, and that $30-40\%$ of the total amount of giant arcs are lost if looking only at very X-ray luminous objects.

연구 동기 및 목표

• 강한 렌즈 효율성과 복합질량 및 X선 복사원과 같은 은하단의 전체적 성질 간의 통계적 상관관계를 정량화하는 것.
• 전면 시뮬레이션에 비해 계산 비용이 큰 렌즈-질량 및 렌즈-복사원 관계를 기반으로 한 신속하고 정확한 합성 광학적 두께 모델을 개발하는 것.
• 역학적 상태와 X선 복사원에 기반한 선택 편향이 거대 아크의 관측 빈도에 미치는 영향을 평가하는 것.
• 고적색도에서의 전체 강한 렌즈 광학적 두께에 대해 비안정된 상태와 X선 복사원이 높은 은하단이 차지하는 기여도를 평가하는 것.
• 시뮬레이션된 렌즈 성질을 사용하여 X선과 옵티컬로 선택된 은하단 샘플 간의 아크 통계적 불일치를 해석하는 것.

제안 방법

• 은하단의 구조를 포함하는 복합 물리적 과정을 수반하는 대규모 천체역학 N-체 + SPH 시뮬레이션인 마레누스트룸 우주론적 시뮬레이션을 활용하여 합성 은하단을 추출한다.
• 은하단 허브에 대한 레이트레이싱 기법을 사용하여 거대 아크의 강한 렌즈 단면적을 계산하며, 주로 임계 곡선과 임계 표면을 중심으로 분석한다.
• 렌즈 단면적과 복합질량 간의 경험적 스케일링 관계, 그리고 단면적과 블로메트릭 X선 복사원 간의 관계를 설정하며, 로그 공간에서의 거듭제곱 법칙 관계를 피팅한다.
• 최적의 질량-렌즈 관계를 기반으로 한 합성 광학적 두께 모델을 구축하며, 조정 가능한 매개변수 하나만을 사용하고, 전체 시뮬레이션 데이터로부터 진짜 광학적 두께와의 유효성을 검증한다.
• 비율 계수 기준을 사용하여 은하단의 역학적 상태(안정된 vs. 비안정된)로 분류하고, 총 광학적 두께에 대한 기여도를 개별적으로 계산한다.
• X선 복사원 범위에 따라 아크 빈도 기여도를 정량화하여 X선으로 선택된 아크 조사에서의 선택 편향을 평가한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 은하단의 강한 렌즈 단면적은 그들의 복합질량과 X선 복사원과 어떻게 상관관계가 있는가?
• RQ2 질량-렌즈 스케일링 관계를 기반으로 한 단순화된 합성 광학적 두께 모델이 전면 시뮬레이션에서의 진짜 광학적 두께를 정확하게 재현할 수 있는가?
• RQ3 고립된 X선 복사원 기반으로 은하단을 선별할 경우 총 거대 아크 빈도의 몇 퍼센트가 손실되는가?
• RQ4 고적색도에서의 강한 렌즈 사건은 어느 정도 비안정된 상태의 은하단에 의해 지배되는가?
• RQ5 X선 복사원이 높은 은하단 샘플의 선택 효과는 진짜 기초 인구에 비해 관측된 거대 아크의 빈도에 어떻게 영향을 미치는가?

주요 결과

• 렌즈 단면적과 복합질량 간에는 강한 약선형 상관관계(로그-로그 공간에서 기울기 ~1.5)가 존재하며, 평균 관계 주변에 상당한 산란(최대 10배)이 존재한다.
• 렌즈 단면적과 블로메트릭 X선 복사원 간의 상관관계는 질량-렌즈 관계보다 더 탄탄하며, 중심 은하단 조건에 대한 공통 감도를 반영한다.
• 질량-렌즈 및 복사원-렌즈 관계의 산란은 대체로 정규분포에 가깝지만, 일부 경우에 비정규 분포의 편차가 존재한다.
• 질량-렌즈 스케일링 관계를 기반으로 한 합성 광학적 두께 모델은 조정 가능한 매개변수 하나만으로도 진짜 미분 광학적 두께를 매우 정확하게 재현한다.
• 비안정된 은하단은 고적색도 광학적 두께에 상당한 기여를 하며, 고체 구조가 계층적으로 형성되고 고적색도에서 역학적으로 활동적인 것이 기대되는 바와 일치한다.
• 일정한 X선 복사원 임계값 이하의 은하단을 배제할 경우 총 거대 아크 빈도의 30–40%가 손실되며, 이는 X선으로 선택된 아크 조사에서 상당한 선택 편향이 있음을 시사한다.