[논문 리뷰] COSMOGRAIL: the COSmological MOnitoring of GRAvItational Lenses II. SDSS J0924+0219: the redshift of the lensing galaxy, the quasar spectral variability and the Einstein rings

A. Eigenbrod, F. Courbin외 7명|ArXiv.org|2005. 10. 21.

Gamma-ray bursts and supernovae참고 문헌 29인용 수 35

한 줄 요약

이 연구는 SDSS J0924+0219의 렌즈 적색편이를 z = 0.394 ± 0.001로 측정하고, 연속기 밀도 변화는 최소이지만 넓은 발광선에서의 변화는 뚜렷한 것으로 확인하며, HST 이미지의 분해상태를 통해 두 개의 아이언스타인 링을 해소한다. 렌즈 모델은 퀘이사 이미지의 천문학적 위치와 링의 형태를 모두 포함하여 순수 링 모델과 순수 천문학적 위치 모델 간의 강력한 모순을 드러내며, 다중극자 구조와 큰 시간지연 불확실성을 시사한다. 이는 시간지연 우주론을 통한 H₀ 측정에 있어 극도로 유망한 대상이다.

ABSTRACT

(Abridged) We present our VLT/FORS1 deep spectroscopic observations of the gravitationally lensed quasar SDSS J0924+0219, as well as archival HST/NICMOS and ACS images of the same object. The two-epoch spectra, obtained in the Multi Object Spectroscopy (MOS) mode, allow for very accurate flux calibration, spatial deconvolution of the data, and provide the redshift of the lensing galaxy z=0.394 +/- 0.001. These spectra, taken 15 days apart, show only slight continuum variations, while the broad emission lines display obvious changes in the red wing of the Mg II line, in the Fe II bands, and in the central part of the C III] line. Even though variations in the line profiles are present, we do not see any significant differences between the continuum and emission line flux ratios of images A and B of the quasar. Spatial deconvolution of the HST images reveals a double Einstein ring. One ring corresponds to the lensed quasar host galaxy at z=1.524 and a second bluer one, is the image either of a star-forming region in the host galaxy, or of another unrelated lower redshift object. We find that a broad range of lens models gives a satisfactory fit to the data. However, they predict very different time delays, making SDSS J0924+0219 an object of particular interest for photometric monitoring. In addition, the lens models reconstructed using exclusively the constraints from the Einstein rings, or using exclusively the astrometry of the quasar images, are not compatible. This suggests that substructures play an important role in SDSS J0924+0219.

연구 동기 및 목표

• SDSS J0924+0219의 렌즈 은하 적색편이를 측정하여 정밀한 시간지연 우주론을 가능하게 한다.
• 연속기 및 넓은 발광선에서의 퀘이사 이미지 A와 B의 스펙트럼 변동성을 평가하여 마이크로렌즈 효과 또는 소스 구조를 탐색한다.
• 심층 HST/NICMOS 및 ACS 영상 데이터를 활용하여 아이언스타인 링을 해소하고 렌즈 질량 분포를 제약한다.
• 쿼티사 이미지 위치 기반 렌즈 모델과 아이언스타인 링 형태 기반 렌즈 모델 간의 괴리를 조율한다.
• 외부 전단 및 다중극자 구조가 H₀ 산정을 위한 시간지연 예측에 미치는 영향을 정량화한다.

제안 방법

• 300 R 해상도로 4450–8650 Å 범위의 VLT/FORS1 다중객체 스펙트로스코피(MOS)를 확보하여 렌즈 은하 및 퀘이사 이미지 A와 B의 광도 캘리브레이션된, 공간적으로 분리된 스펙트럼을 확보한다.
• 렌즈 은하와 퀘이사 이미지 간의 상호 오염을 최소화하기 위해 스펙트럼 분리 기법을 적용한다.
• MCS 알고리즘을 사용하여 기존의 HST/ACS 및 NICMOS 영상의 분해상태를 해소하여 두 개의 아이언스타인 링 존재를 드러낸다.
• 쿼티사 이미지의 천문학적 위치와 아이언스타인 링의 세밀한 형태를 기반으로 렌즈 질량 분포를 재구성하며, 다양한 모델링 접근 방식 간의 결과를 비교한다.
• 부드러운 렌즈 모델(예: LENSMODEL)과 반선형 역전치 기법을 사용하여 외부 전단 및 단일 등방성 구조체(SIS) 교란자 영향을 시험한다.
• 예측된 시간지연와 위치각을 관측 데이터와 비교하여 모델 일관성을 평가하고, 구조물 존재를 시사하는 괴리점을 식별한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 SDSS J0924+0219의 렌즈 은하 적색편이는 얼마이며, 얼마나 정밀하게 측정할 수 있는가?
• RQ2 15일 간격 기준으로 퀘이사 이미지 A와 B의 광도 비율과 스펙트럼 특성이 어떻게 변화하는가? 이는 마이크로렌즈 효과 또는 소스 구조에 어떤 함의를 갖는가?
• RQ3 HST 영상에서 해소된 두 개의 아이언스타인 링의 기원과 적색편이는 무엇이며, 렌즈 질량 분포를 어떻게 제약하는가?
• RQ4 왜 순수하게 아이언스타인 링 형태 기반 렌즈 모델은 관측된 퀘이사 이미지 위치를 재현하지 못하는가? 이는 렌즈 질량 분포에 대해 어떤 함의를 갖는가?
• RQ5 다양한 렌즈 모델 기반으로 SDSS J0924+0219의 예측 시간지연 범위는 무엇이며, 외부 전단과 렌즈 타원도에 대한 가정에 얼마나 민감한가?

주요 결과

• SDSS J0924+0219의 렌즈 은하는 VLT/FORS1 스펙트럼의 다수의 별성 흡수선을 통해 z_lens = 0.394 ± 0.001의 적색편이를 가짐을 측정하였다.
• 1월 14일 기준 F_A/F_B = 2.80 ± 0.05와 2월 1일 기준 2.86 ± 0.05로 광도 비율이 일관되며, 15일 간 연속기에서의 변화는 유의미하지 않다.
• C III], Mg II, Fe II 발광선에서 두 시점 간에 뚜렷하고 비대칭적인 변화가 관측되어, 변동하는 발광선 영역 구조 또는 마이크로렌즈 효과를 시사한다.
• 한 개의 아이언스타인 링은 z_source = 1.524인 퀘이사의 렌즈화된 은하주변을 나타내며, 다른 더 파란색 링은 은하주변의 별 형성 영역 또는 더 낮은 적색편이의 관련 없는 천체와 관련이 있을 가능성이 있다.
• 순수하게 아이언스타인 링 형태 기반 모델은 관측된 퀘이사 이미지 위치를 재현하지 못하며, 반대로 순수 천문학적 위치 기반 모델도 관측 위치를 재현하지 못함을 확인하여, 다중극자 유사 구조물이 일관된 렌즈 모델링에 필수적임을 시사한다.
• 다양한 모델 간 시간지연 예측 범위는 넓게 퍼져 있으며, 외부 전단과 렌즈 위치각에 민감함을 보이며, 이는 시스템의 복잡성과 H₀ 산정에 있어 중요성을 강조한다.