[논문 리뷰] The AGEL Survey: Spectroscopic Confirmation of Strong Gravitational Lenses in the DES and DECaLS Fields Selected Using Convolutional Neural Networks

Kim‐Vy Tran, Anishya Harshan외 14명|arXiv (Cornell University)|2022. 05. 11.

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena참고 문헌 65인용 수 32

한 줄 요약

이 논문은 깊은 DES 및 DECaLS 이미징에서 컨volutional 신경망(CNN)을 사용하여 후보자를 식별한 AGEL 조사에서 68개의 강한 중력 렌즈의 스펙트로스코픽 확증을 제시한다. 이 방법은 77개 중 68개(88%)가 확인되어 성공률가 88%를 기록했으며, 이전 조사보다 높은 적색편이(zdeflectors: 0.21–0.89, zsources: 0.88–3.55)를 가진 렌즈 시스템을 포함하여 질량 진화 및 은하 형성에 대한 견고한 연구를 가능하게 한다.

ABSTRACT

We present spectroscopic confirmation of candidate strong gravitational lenses using the Keck Observatory and Very Large Telescope as part of our ASTRO 3D Galaxy Evolution with Lenses (AGEL) survey. We confirm that 1) search methods using Convolutional Neural Networks (CNN) with visual inspection successfully identify strong gravitational lenses and 2) the lenses are at higher redshifts relative to existing surveys due to the combination of deeper and higher resolution imaging from DECam and spectroscopy spanning optical to near-infrared wavelengths. We measure 104 redshifts in 77 systems selected from a catalog in the DES and DECaLS imaging fields (r<22 mag). Combining our results with published redshifts, we present redshifts for 68 lenses and establish that CNN-based searches are highly effective for use in future imaging surveys with a success rate of 88% (defined as 68/77). We report 53 strong lenses with spectroscopic redshifts for both the deflector and source (z_src>z_defl), and 15 lenses with a spectroscopic redshift for either the deflector (z_defl>0.21) or source (z_src>1.34). For the 68 lenses, the deflectors and sources have average redshifts and standard deviations of 0.58+/-0.14 and 1.92+/-0.59 respectively, and corresponding redshift ranges of (0.21<z_defl<0.89) and (0.88<z_src<3.55). The AGEL systems include 41 deflectors at zdefl>0.5 that are ideal for follow-up studies to track how mass density profiles evolve with redshift. Our goal with AGEL is to spectroscopically confirm ~100 strong gravitational lenses that can be observed from both hemispheres throughout the year. The AGEL survey is a resource for refining automated all-sky searches and addressing a range of questions in astrophysics and cosmology.

연구 동기 및 목표

• 깊은 DES 및 DECaLS 이미징 분야에서 컨volutional 신경망(CNN)을 통해 선별된 강한 중력 렌즈 후보자를 스펙트로스코피적으로 확증하는 것.
• 더 깊고 해상도가 높은 이미징과 광학에서 적외선에 이르는 스펙트로스코피를 활용하여 이전 조사보다 더 높은 적색편이까지 확증된 강한 렌즈의 범위를 넓히는 것.
• 양반구에서 연중 내내 관측 가능한 약 100개의 밝은 강한 렌즈(r ≤ 22 mag)로 구성된 고순도, 스펙트로스코피적으로 확증된 샘플을 구축하는 것.
• 모든 하늘에 걸친 자동 렌즈 탐색을 정교화하고 CNN 기반 탐지 파이프라인을 향상시키기 위한 기준 데이터셋을 제공하는 것.
• 공간적으로 해상도가 높은 다중파장 후속 관측을 통해 질량 밀도 프로파일, 다크 물질 허브, 고적색편이 은하 진화에 대한 세부 연구를 가능하게 하는 것.

제안 방법

• 공개된 DES 및 DECaLS 이미징에 CNN 기반 검색을 적용하여 사전에 식별된 렌즈 후보자들을 활용하여 고각해상도 및 깊이를 확보했다.
• Keck 관측소와 Very Large Telescope(VLT)를 사용하여 렌즈 변위체 및 배경 소스 성분의 적색편이를 측정하기 위해 스펙트로스코픽 후속 관측을 수행했다.
• 신규 확보된 스펙트로스코픽 적색편이와 문헌 자료를 융합하여 68개의 확증된 시스템에 대한 완전한 적색편이 측정치를 확립했다(53개는 양측 성분 모두, 15개는 한 성분만).
• 기존 조사에서의 광학적 적색편이(예: BPZ)를 스펙트로스코픽 측정치와 대조하여 평균 절대 오차 |Δz| = 0.03 ± 0.02를 발견했다.
• 하이퍼스페이스 테일러 망원경의 고해상도 이미징을 통해 일부 시스템의 밑킬로파섹 구조를 해소하고 다크 물질의 미세 구조를 탐색했다.
• CNN 선별과 시각적 점검, 스펙트로스코픽 확증을 조합한 하이브리드 접근법을 사용하여 렌즈 식별의 고순도성과 신뢰성을 확보했다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 깊은 광학 이미징에서 컨volutional 신경망(CNN)이 고성공률 및 고순도로 강한 중력 렌즈 후보자를 효과적으로 식별할 수 있는가?
• RQ2 DES 및 DECaLS 분야에서 스펙트로스코피적으로 확증된 강한 렌즈의 적색편이 분포는 어떻게 되며, 이는 이전 조사와 어떻게 비교되는가?
• RQ3 기존 조사에서의 광학적 적색편이가 렌즈 변위체 및 소스 성분의 스펙트로스코픽 적색편이와 얼마나 일치하는가?
• RQ4 깊이와 해상도 측면에서 AGEL 렌즈의 적색편이와 형태는 이전 조사인 SLACS, BELLS, CASSOWARY와 어떻게 비교되는가?
• RQ5 AGEL 샘플이 우주의 시간에 따라 질량 밀도 프로파일과 다크 물질 허브의 진화를 탐색하는 데 어떤 잠재력을 지니는가?

주요 결과

• AGEL 조사는 77개 후보 중 68개(88%)가 스펙트로스코피적으로 확증되어, 깊은 이미징에서 CNN 기반 렌즈 탐지의 높은 신뢰성을 입증했다.
• 확증된 렌즈 시스템은 넓은 적색편이 범위를 포함한다: 변위체 적색편이 zdeflectors = 0.21에서 0.89(평균: 0.58 ± 0.14), 소스 적색편이 zsources = 0.88에서 3.55(평균: 1.92 ± 0.59).
• 확증된 68개 렌즈 중 41개는 변위체 적색편이 ≥ 0.5를 가지며, 이는 적색편이에 따른 질량 밀도 프로파일의 진화를 연구하는 데 이상적인 조건을 제공한다.
• 기존 조사에서의 광학적 적색편이(예: BPZ)는 스펙트로스코픽 측정치와 뛰어난 일치를 보이며, 평균 절대 오차 |Δz| = 0.03 ± 0.02를 기록했다.
• 더 깊은 이미징(DECam)과 광학에서 적외선에 이르는 스펙트로스코피의 조합으로 이전 조사보다 더 높은 적색편이 시스템을 탐지할 수 있었으며, z > 3의 소스도 포함되었다.
• AGEL 샘플에는 변위체와 소스 양쪽에 스펙트로스코픽 적색편이가 있는 53개 시스템과 한 성분만 적색편이가 있는 15개 시스템이 포함되어 있으며, 이는 고적색편이 렌즈 샘플의 가용성을 크게 확장했다.