[논문 리뷰] Where is the matter in the Merging Cluster Abell 2218?

Á. Elíasdóttir, Marceau Limousin외 7명|arXiv (Cornell University)|2007. 10. 30.

Astronomy and Astrophysical Research인용 수 71

한 줄 요약

이 연구는 허블, 찰리, 지상 천체망원경 데이터를 사용하여 병합 중인 은하단 Abell 2218의 매개변수 강한 렌즈 모델을 제시한다. Lenstool 소프트웨어를 활용해 베이지안 마르코프 체인 몬테카를로 방법을 적용하여 질량 분포를 제약한다. 주요 발견은 은하단의 질량이 100 arcsec에서 85%가 두 개의 대규모 암흑물질 허브에 의해 지배되며, 중심의 가장 밝은 은하단은 9%에 불과하고, 하위조직이 국소적으로 영향을 주지 않으면 이미지로 감지될 수 없다는 것이다.

ABSTRACT

We present a parametric strong lensing model of the cluster Abell 2218 based on HST ACS data. We constrain the lens model using 8 previously known multiply imaged systems, of which 7 have spectroscopically confirmed redshifts. In addition, we propose five candidate multiply imaged systems and estimate their redshifts using our mass model. The model parameters are optimized in the source plane by a bayesian Monte Carlo Markov Chain as implemented in the the publicly available software Lenstool. We find rms=0."12 for the scatter of the sources in the source plane, which translates into rms=1."49 between the predicted and measured image positions in the image plane. We find that the projected mass distribution of Abell 2218 is bimodal, which is supported by an analysis of the light distribution. We also find evidence for two structures in velocity space, separated by ~1000 km/s, corresponding to the two large scale dark matter clumps. We find that the lensing constraints can not be well reproduced using only dark matter halos associated with the cluster galaxies, but that the dark matter is required to be smoothly distributed in large scale halos. At 100" the enclosed projected mass is 3.8e14 solar masses. At that radius, the large scale halos contribute ~85% of the mass. We find that the model is not very sensitive to the fainter galaxy sized halos, unless they locally perturb a given multiply imaged system. Therefore, dark galaxy sized substructure can be reliably constrained only if it locally perturbs one of the systems. In an appendix we give a self-contained description of the parametric profile we use, the dual pseudo isothermal elliptical mass distribution (dPIE). This profile is a two component pseudo isothermal mass distribution (PIEMD) with both a core radii and a scale radii. (Abridged)

연구 동기 및 목표

• 다양한 파장의 관측 자료를 사용하여 Abell 2218의 고정밀 매개변수 강한 렌즈 모델을 구축하는 것.
• 특히 병합 역학의 맥락에서 은하단 내 암흑물질 분포를 규명하는 것.
• 개별 은하와 대규모 허브가 총 질량 예산에 기여하는 정도를 평가하는 것.
• 렌즈 효과에 의한 낮은 질량의 암흑물질 하위조직의 감지 가능성 평가.
• dPIE 모델에서의 기준 속도 분산과 관측 가능한 투영 속도 분산 간의 관계를 校정하는 것.

제안 방법

• 허블 ACS 영상과 8개의 다중 이미지 시스템의 스펙트로스코픽 적색편이를 사용하여 매개변수 강한 렌즈 모델을 구축하였으며, 추가로 5개의 후보자가 제안되었다.
• 모델은 각 구성 요소에 핵심 반경과 척도 반경을 포함한 이중 허위 등방성 타원형 질량 분포(dPIE) 프로파일을 사용한다.
• 공개된 Lenstool 소프트웨어를 활용해 베이지안 마르코프 체인 몬테카를로(MCMC) 방법을 사용하여 모델 파라미터를 최적화한다.
• 렌즈 모델은 소스 평면에서 잔차를 최소화함으로써 검증되었으며, 소스 평면에서의 평균 제곱 잔차는 0.12 arcsecond, 이미지 평면에서는 1.49 arcsecond였다.
• dPIE 프로파일은 적색편이, 위치, 타원도, 방향, 핵심 반경, 척도 반경, 기준 속도 분산을 포함해 총 8개의 파라미터로 구성된다.
• 속도 분산 관계는 수치적으로 유도되었으며, 관측 데이터와 비교하기 위해 표준 속도 분산 σₑ 가 정의되었다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 강한 렌즈 효과에 의해 제약을 받는 병합 은하단 Abell 2218의 총 질량 공간 분포는 어떻게 되는가?
• RQ2 100 arcsec에서 대규모 암흑물질 허브와 개별 은하가 총 질량 예산에 기여하는 정도는 어떠한가?
• RQ3 어두운 은하 크기의 낮은 질량의 암흑물질 하위조직은 렌즈 모델에서 신뢰성 있게 감지될 수 있으며, 어떤 조건에서 그러한 감지가 가능한가?
• RQ4 dPIE 모델에서의 기준 속도 분산과 은하단 은하의 관측 가능한 투영 속도 분산 간의 관계는 무엇인가?
• RQ5 관측된 렌즈 특징이 가시 은하와 관련된 것 이외의 매끄러운 암흑물질 허브를 요구하는 정도는 어느 정도인가?

주요 결과

• Abell 2218의 투영 질량 분포는 이중성을 띠며, 약 1000 km s⁻¹의 속도 공간에서 분리된 두 개의 대규모 암흑물질 덩어리로 구성되어 있다.
• 100 arcsec(291 kpc)에서 총 투영 질량은 3.8 × 10¹⁴ M☉이며, 이 중 85%는 대규모 허브가 기여하고, 9%는 가장 밝은 은하단(BCG)이 기여한다.
• 나머지 6%의 질량은 다른 은하단에서 기인하며, 모델은 더 희미하고 낮은 질량의 허브에 민감하지 않으며, 다중 이미지 시스템에 국소적으로 영향을 주지 않으면 검출되지 않는다.
• 모델은 국소적으로 렌즈된 이미지에 영향을 주는 거대한 은하와 하위조직만 감지할 수 있으며, 이는 어두운 은하 크기의 하위조직이 측정 가능한 왜곡을 유도할 때에만 제약을 받는다는 것을 시사한다.
• 관측 영역 내 평균 선형 방향 속도 분산( R/Rₑ ≈ 0.01–2 )은 기준 σ_dPIE의 약 0.85 ± 0.10 배이며, 일반적인 dPIE 파라미터에서 σₑ/σ_dPIE ≈ 1.3 ± 0.2 이다.
• dPIE 프로파일은 소스 평면에서 낮은 잔차 산란(rms = 0.12 arcsec)을 보이며, 렌즈 데이터를 고정밀도로 재현하였다.