[논문 리뷰] The Mass Distribution of CL0939+4713 obtained from a `Weak' Lensing Analysis of a WFPC2 image

Carolin Seitz, Jean‐Paul Kneib외 2명|arXiv (Cornell University)|1996. 01. 15.

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 단일 깊은 HST/WFPC2 이미지를 사용하여 고적도 은하단 CL0939+4713의 약한 중력 렌즈 분석을 수행하며, 편향이나 자유 매개변수 없이 2차원 질량 분포를 재구성한다. 질량은 뚜렷한 은하단 은하의 빛과 밀접하게 따라가며, 더 흐린 배경 은하의 경우 증폭 편향으로 인해 반상관관계를 보이며, 관측된 영역 내 질량 추정치는 5–7 × 10¹⁴/h₅₀ M☉이다.

ABSTRACT

The image distortions of high-redshift galaxies caused by gravitational light deflection of foreground clusters of galaxies can be used to reconstruct the two-dimensional surface mass density of these clusters. We apply an unbiased parameter-free reconstruction technique to the cluster CL0939+4713 (Abell 851), observed with the WFPC2 on board of the HST. We demonstrate that a single deep WFPC2 observation can be used for cluster mass reconstruction despite its small field of view and the irregular shape of the data field (especially for distant clusters). For CL0939, we find a strong correlation between the reconstructed mass distribution and the bright cluster galaxies indicating that mass follows light on average. The detected anti-correlation between the faint galaxies and the reconstructed mass is most likely an effect of the magnification (anti) bias, which was detected previously in the cluster A1689. Because of the high redshift of CL0939 (z_d=0.41), the redshift distribution of the lensed, faint galaxies has to be accounted for in the reconstruction technique. We derive an approximate global transformation for the surface mass density which leaves the mean image ellipticities invariant, resulting in an uncertainty in the normalization of the mass. From the non-negativity of the surface mass density, we derive lower limits on the mass inside the observed field. We can break the invariance transformation for the mass using the magnification effect on the observed number density of the background galaxies. Assuming a mean redshift of 0.8 and a fraction of 15 % (20 %) of cluster galaxies in the observed galaxy sample with 23

연구 동기 및 목표

• 고적도 은하단 CL0939+4713의 표면 질량 밀도를 약한 중력 렌즈를 통해 2차원적으로 재구성하는 것.
• 작은 시야각과 비정규적인 모양을 가진 단일 깊은 WFPC2 관측이 고적도 은하단에 대해 신뢰할 수 있는 질량 재구성을 가능하게 하는지 테스트하는 것.
• 질량 분포와 뚜렷한 은하단 은하, 더 흐린 배경 은하 사이의 상관관계를 적색편이 분포 영향을 고려하여 조사하는 것.
• 배경 은하의 수 밀도에 대한 증폭 효과를 이용해 질량 정규화의 딜레마를 해결하는 것.
• 비음성 제약 조건과 관측된 은하 수를 사용해 질량의 하한을 도출하고 M/L 비율을 추정하는 것.

제안 방법

• WFPC2 이미지에서 고적도 배경 은하의 편향 측정치에 비편향적이며 자유 매개변수 없는 약한 렌즈 재구성 기법을 적용하는 것.
• 질량 정규화의 불확실성을 보완하기 위해 평균 이미지 타원도를 유지하는 변환을 사용하여 물리적 일관성을 확보하는 것.
• 렌즈 효과를 보정하기 위해 렌즈된 은하의 적색편이 분포(평균 z ≈ 0.8)를 렌즈 역전치에 통합하는 것.
• 표면 질량 밀도의 음성 부여 제약 조건에서 질량의 하한을 도출하는 것.
• 배경 은하의 수 밀도에 대한 증폭 편향을 활용해 질량 재구성의 정규화 딜레마를 해소하는 것.
• 배경 샘플에서 은하단 은하의 오염 비율을 15–20%로 가정하여 질량 추정치를 校정하는 것 (23 < R < 25.5).

실험 결과

연구 질문

• RQ1 제한된 시야각을 가진 단일 깊은 WFPC2 이미지가 CL0939+4713와 같은 고적도 은하단에 대해 신뢰할 수 있는 2차원 질량 재구성을 가능하게 할 수 있는가?
• RQ2 재구성된 질량 분포가 뚜렷한 은하단 은하의 공간 분포와 어느 정도 상관관계를 가지는가?
• RQ3 왜 흐린 배경 은하와 재구성된 질량도 사이에 관측된 반상관관계가 나타나며, 이는 증폭 편향과 일치하는가?
• RQ4 배경 은하의 적색편이 분포가 먼 은하단에서의 약한 중력 렌즈 질량 재구성 정확도에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 관측된 영역 내 총 은하단 질량의 최선의 추정치는 무엇이며, 이로부터 유도되는 M/L 비율은 얼마인가?

주요 결과

• CL0939+4713의 재구성된 질량 분포는 뚜렷한 은하단 은하의 분포와 강한 공간 상관관계를 보이며, 평균적으로 질량이 빛을 따라간다는 것을 시사한다.
• 흐린 배경 은하와 질량도 사이의 반상관관계는 증폭 편향으로 기인하며, 이는 이전에 A1689 은하단에서 관측된 결과와 일치한다.
• 은하단 오염 비율이 15%일 경우 관측된 영역 내 질량은 약 5 × 10¹⁴/h₅₀ M☉로 추정되며, 20%일 경우 7 × 10¹⁴/h₅₀ M☉로 증가한다.
• 유도된 M/L 비율은 오염 비율이 15%일 경우 약 100 h₅₀, 20%일 경우 약 140 h₅₀로, 암흑 물질 지배와 일치하는 높은 질량-광도 비율을 나타낸다.
• 표면 질량 밀도의 음성 부여 제약 조건은 정규화 가정에 의존하지 않는 총 질량에 대한 강력한 하한을 제공한다.
• 배경 은하의 수 밀도에 대한 증폭 효과를 활용함으로써 질량 정규화의 딜레마를 성공적으로 해소하였으며, 정량적 질량 추정이 가능해졌다.