[论文解读] COSMOGRAIL: the COSmological MOnitoring of GRAvItational Lenses X. Modeling based on high-precision astrometry of a sample of 25 lensed quasars: consequences for ellipticity, shear, and astrometric anomalies

Dominique Sluse, V. Chantry+3 more|arXiv (Cornell University)|Nov 30, 2011

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena参考文献 107被引用 46

一句话总结

本研究利用哈勃空间望远镜图像和ISMCS反卷积算法，对25个引力透镜类星体进行了高精度天体测量，实现了1–2.5毫角秒的定位精度。研究结果表明，在透镜模型中引入邻近星系可解决四重像系统中的天体测量异常，并发现光度椭率与质量椭率、位置角之间存在强烈相关性，表明在透镜星系内约5千秒差距的区域内，重子物质与总质量分布趋于一致。

ABSTRACT

(abridged) Gravitationally lensed quasars can be used as powerful cosmological and astrophysical probes. We can (i) infer the Hubble constant based on the time-delay technique, (ii) unveil substructures along the l.o.s. toward distant galaxies, and (iii) compare the shape and the slope of baryons and dark matter distributions in galaxies. To reach these goals, we need high-accuracy astrometry and morphology measurements of the lens. In this work, we first present new astrometry for 11 lenses with measured time delays. Using MCS deconvolution on NIC2 HST images, we reached an astrometric accuracy of about 1-2.5 mas and an accurate shape measurement of the lens galaxy. Second, we combined these measurements with those of 14 other systems to present new mass models of these lenses. This led to the following results: 1) In 4 double-image quasars, we show that the influence of the lens environment on the time delay can easily be quantified and modeled, hence putting these lenses with high priority for time-delay determination. 2) For quadruple-image quasars, the difficulty often encountered in reproducing the image positions to milli-arcsec accuracy (astrometric anomaly) is overcome by explicitly including the nearest visible galaxy in the model. However, one anomalous system (J1131-1231) does not show any luminous perturber in its vicinity, and three others (WFI2026-4536, WFI2033-4723, and B2045+265) have problematic modeling. These 4 systems are the best candidates for a pertubation by a dark matter substructure. 3) We find a significant correlation between the PA of the light and of the mass distributions in lensing galaxies. In contrast with other studies, we find that the ellipticity of the light and of the mass also correlate well, suggesting that the overall spatial distribution of matter is not very different from the baryon distribution in the inner \sim 5 kpc of lensing galaxies.

研究动机与目标

• 通过减少透镜模型中的系统误差，提高时间延迟测量精度，以实现宇宙距离尺度的确定。
• 研究外部剪切和邻近星系对透镜模型精度及时间延迟测量精度的影响。
• 评估透镜星系光度形态是否在内区准确反映总质量分布。
• 通过分析环境与结构效应，识别最适合高精度哈勃常数量测的透镜系统。
• 确定未解释的天体测量异常是否由暗物质子结构或建模缺陷引起。

提出的方法

• 对近红外HST图像应用基于Magain-Courbin-Sohy（ISMCS）反卷积算法的迭代策略，实现对透镜类星体像和透镜星系的亚毫角秒级天体测量。
• 将11个时间延迟透镜的新天体测量数据与另外14个系统的现有数据相结合，构建一致的质量模型。
• 使用奇异等温椭球（SIE）模型拟合像的位置，必要时将邻近星系作为扰动源引入模型。
• 通过测量的结构参数，量化光度与质量分布的位置角（PA）和椭率之间的对齐程度。
• 通过评估模型残差和像位置差异，识别出可能存在暗物质子结构或建模限制的系统。
• 评估外部剪切和固有椭率对时间延迟预测的影响，特别是在双像系统中。

实验结果

研究问题

• RQ1 在四重像类星体中，将邻近星系纳入透镜模型在多大程度上能解决天体测量异常？
• RQ2 在内约5千秒差距区域内，透镜星系光度的位置角和椭率在多大程度上能准确追踪总质量分布的位置角和椭率？
• RQ3 哪些透镜类星体系统在观测像位置与预测像位置之间表现出最显著的偏差，其原因可能是什么？
• RQ4 如果环境效应和质量分布效应被正确建模，时间延迟法能否实现对哈勃常数测量的高精度？
• RQ5 是否存在未解释的天体测量异常指向暗物质子结构存在，即使没有可见扰动星系？

主要发现

• 对于四个双像类星体（HE0047-1746、J1226-006、SBS 1520+530 和 HE 2149-2745），其环境对时间延迟的影响可被量化和建模，使其成为时间延迟测量的高优先级目标。
• 在14个四重像系统中，有11个通过在模型中包含最近的可见星系或卫星星系，成功解决了天体测量异常，显著改善了模型拟合效果。
• 质量分布的位置角与光度分布的位置角高度相关（差异约10度以内），证实了在透镜星系内区的质量与光度分布趋于对齐。
• 在12个系统中的8个，光度与质量分布的椭率也表现出良好相关性，表明在内约5千秒差距区域内，重子物质分布与总质量分布高度一致。
• 即使在引入环境建模后，RXS J1131-1231、WFI 2026-4536、WFI 2033-4723 和 B2045+265 仍存在显著问题，提示可能存在暗物质子结构或未建模的扰动。
• 本研究识别出可分离内禀剪切与外部剪切的系统，从而通过时间延迟法降低哈勃常数估计中的系统偏差。