[论文解读] Lensing effects in an inhomogeneous universe

Lars Bergström, Martin Goliath+2 more|arXiv (Cornell University)|Dec 9, 1999

Relativity and Gravitational Theory参考文献 5被引用 6

一句话总结

本文将Holz与Wald的引力透镜方法推广至包含具有压强的多种流体组分及真实暗物质晕模型（NFW与等温球模型）的情形，表明尽管在归一化至星系光度时NFW与等温模型的透镜效应相似，高红移超新星巡天仍可揭示暗物质分布的宏观特征——尤其是点状物体的存在。

ABSTRACT

Recently, Holz & Wald have presented a new method for determining gravitational lensing effects on, e.g., supernova luminosity versus redshift measurements in inhomogeneous universes. In this paper, their method is generalized in several ways: First, the matter content is allowed to consist of several different types of fluids, possibly with non-vanishing pressure. Second, besides lensing by simple point masses and singular isothermal spheres, the more realistic halo dark matter distribution proposed by Navarro, Frenk & White (NFW), based on N-body simulation results, is treated. We discuss various aspects of the accuracy of the method, such as luminosity corrections, and statistics, for multiple images. We find in agreement with other recent work that a large sample of supernovae at large redshift could be used to extract gross features of the mass distribution of the lensing dark matter halos, such as the existence of a large number of point-like objects. The results for the isothermal sphere and the NFW model are, however, very similar if normalized to the observed luminosity distribution of galaxies. We give convenient analytical fitting formulas for our computed lensing probabilites as a function of magnification, for several redshifts.

研究动机与目标

• 将Holz与Wald的透镜框架扩展至包含非零压强的多种流体组分。
• 利用N体模拟导出的Navarro-Frenk-White（NFW）密度剖面，对真实暗物质晕进行建模。
• 评估多重像与光度修正下透镜概率计算的准确性。
• 确定高红移超新星在多大程度上可约束透镜晕的大尺度质量分布。
• 为透镜概率提供红移与放大率的解析拟合公式。

提出的方法

• 将透镜形式化推广至非均匀宇宙中包含非零压强的多种流体组分。
• 采用Navarro-Frenk-White（NFW）密度剖面作为暗物质晕的真实模型。
• 使用等温球模型作为在归一化至观测星系光度下透镜效应的对比模型。
• 应用该方法计算不同红移下超新星的放大率概率。
• 推导出作为放大率与红移函数的透镜概率的解析拟合公式。
• 评估多重像情景下的统计效应与光度修正。

实验结果

研究问题

• RQ1 当归一化至观测星系光度分布时，NFW剖面与等温球模型的透镜效应有何差异？
• RQ2 高红移超新星巡天在多大程度上可约束暗物质分布中点状透镜物体的存在？
• RQ3 非零压强流体如何影响非均匀宇宙学模型中的引力透镜效应？
• RQ4 在真实晕模型中，不同放大率与红移下的准确透镜概率分布为何？
• RQ5 能否推导出适用于观测宇宙学中红移与放大率的透镜概率解析拟合公式？

主要发现

• 当归一化至星系观测光度分布时，NFW与等温球模型的透镜效应非常相似。
• 大量高红移超新星可提取透镜暗物质晕质量分布的宏观特征，如大量点状物体的存在。
• 该方法成功计算了具有准确光度修正与多重像统计处理的透镜概率。
• 为实际观测宇宙学应用，提供了作为放大率与红移函数的透镜概率解析拟合公式。
• 在模型假设下，包含非零压强的多种流体组分对整体透镜行为无显著影响。
• 结果支持利用超新星巡天通过弱透镜与强透镜效应探测暗物质晕本质的可行性。