[논문 리뷰] Cosmology with Galaxy Clusters: III. Gravitationally Lensed Arc Statistics as a Cosmological Probe

Asantha Cooray|arXiv (Cornell University)|1998. 07. 14.

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena참고 문헌 2인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 전경 은하단의 렌즈 효과를 고려하여 적외선, 전파 및 서브 밀리미터 파장에서 중력 렌즈로 인한 아치 통계를 천체물리학적 탐사 도구로 사용하는 것을 제안한다. 이전 연구를 개선하기 위해 전경 렌즈 클러스터와 배경 원천의 적색편이 진화를 포함하여, 관측된 적외선 아치 수가 낮은 물질 밀도(Ω₀ ≈ 0.3)를 가진 평탄한 우주론 모델과 일치함을 발견하였다. 이 모델은 평탄한 ΛCDM 유형의 우주론에서 약 1,500개의 렌즈 전파 원천(S > 10 μJy, μ > 2)과 약 30,000개의 렌즈 서브 밀리미터 원천(850 μm)을 예측한다.

ABSTRACT

We calculate the expected number of gravitationally lensed optical, radio and sub-mm lensed sources on the whole sky due to foreground galaxy clusters for different cosmological models. We improve previous calculations of lensed arc statistics by including redshift information for background sources and accounting for the redshift evolution of the foreground lensing clusters. The background sources are described based on the redshift and optical magnitude or flux distribution for sources in the Hubble Deep Field (HDF). Using the HDF luminosity function, we also account for the magnification bias in magnitude-limited observational programs to find lensed optical arcs. Based on the results from optical arc surveys, we find that the observed number of arcs can easily be explained in a flat universe with low values for cosmological mass density of the universe. At radio wavelengths (1.4 GHz), we predict \sim 1500 lensed radio sources with flux densities greater than 10 muJy, and with amplifications due to lensing greater than 2, in a flat cosmology with Omega=0.3 and Lambda=0.7. At sub-mm wavelengths (850 mum), the number of lensed sources expected towards the same foreground lens population and cosmology is \sim 3 x 10^4. We briefly consider the possibility of using the South Pole 10-m sub-mm telescope and the Planck surveyor to identify lensed sub-mm sources. A catalog of around 100 gravitationally lensed sources at 353 GHz may be a useful by-product of Planck. (Abridged)

연구 동기 및 목표

• 은하단에서 렌즈로 인한 아치 통계의 천체물리학적 민감도 평가.
• 전경 렌즈 클러스터와 배경 원천 집단의 적색편이 진화를 포함하여 이전의 렌즈율 추정치 개선.
• 다양한 천체물리학적 모델 하에서 적외선, 전파 및 서브 밀리미터 대역에서 렌즈로 인한 원천의 기대 수 계산.
• 향후 계획된 설문 조사(예: Planck 및 남극 탐사대)를 통해 서브 밀리미터 렌즈 원천을 탐지할 수 있는 가능성 평가.
• 허블 깊은 필드 빛의 세기 분포 함수를 사용하여 등급 제한 설문 조사에서 증폭 효과를 보정하는 것.

제안 방법

• 은하단의 투영 질량 분포를 사용하여 렌즈 효과의 확률을 모델링하고, 클러스터 밀도 및 질량 함수의 적색편이 진화를 통합.
• 허블 깊은 필드 빛의 세기 분포 함수를 사용하여 적외선, 전파 및 서브 밀리미터 대역에서 배경 원천의 적색편이 및 등급 분포를 기술.
• 빛의 세기 분포 함수와 렌즈 증폭 요인을 기반으로 등급 제한 설문 조사에 대한 증폭 효과 보정 적용.
• 다양한 천체물리학적 모델(예: 평탄한 ΛCDM, Ω₀ = 0.3 및 Λ₀ = 0.7 포함)에서 천체 전체 영역 당 기대되는 렌즈 원천 수 계산.
• 계획된 기구(예: Planck 설문 조사기 및 남극 10m 서브 밀리미터 망원경)를 사용하여 렌즈로 인한 서브 밀리미터 원천의 탐지 가능성 추정.
• 렌즈 효과 단면적을 원천 수와 적색편이 분포와 통합하여 전체 하늘에서 기대되는 렌즈 원천 총 수 계산.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 전경 클러스터와 배경 원천의 적색편이 진화가 다양한 파장 대역에서 예측된 렌즈 아치 수에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ2 관측된 적외선 아치 통계를 가장 잘 재현하는 천체물리학적 모델은 무엇인가?
• RQ3 Ω₀ = 0.3 및 Λ₀ = 0.7인 평탄한 우주에서, 전파 원천의 세기 >10 μJy 이며 증폭 >2인 렌즈 원천은 약 몇 개 기대되는가?
• RQ4 동일한 천체물리학적 모델 하에서 850 μm 파장에서 기대되는 중력 렌즈 서브 밀리미터 원천의 수는 얼마인가?
• RQ5 향후 계획된 서브 밀리미터 설문 조사(예: Planck 또는 남극 탐사대)가 렌즈 원천을 통계적으로 유의미한 수준으로 탐지할 수 있는가?

주요 결과

• 관측된 중력 렌즈로 인한 적외선 아치의 수는 낮은 물질 밀도(Ω₀ ≈ 0.3)를 가진 평탄한 천체물리학적 모델과 일치한다.
• Ω₀ = 0.3 및 Λ₀ = 0.7인 평탄한 우주에서, 전체 하늘에 걸쳐 세기 >10 μJy 이며 증폭 >2인 약 1,500개의 렌즈 전파 원천이 기대된다.
• 서브 밀리미터 대역(850 μm)에서, 동일한 천체물리학적 모델과 전경 클러스터 집단에서 약 30,000개의 렌즈 원천이 예측된다.
• 등급 제한 설문 조사에서 증폭 효과를 고려함으로써, 탐지 가능한 렌즈로 인한 적외선 아치의 기대 수에 상당한 영향을 미친다.
• Planck 설문 조사 미션의 부산물로 약 100개의 중력 렌즈 원천(353 GHz)을 확보할 수 있을 것으로 예측된다.
• 남극 10m 서브 밀리미터 망원경 역시 이 천체물리학적 프레임워크 하에서 렌즈로 인한 서브 밀리미터 원천을 식별하는 데 유용한 기구로 간주된다.