[논문 리뷰] MEASURING GALAXY MASSES USING GALAXY-GALAXY GRAVITATIONAL LENSING

Tereasa G. Brainerd, R. D. Blandford외 1명|arXiv (Cornell University)|1995. 03. 17.

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena인용 수 228

한 줄 요약

이 논문은 배경은하의 이미지 휨을 이용해 개별 은하에 의한 약한 중력 렌즈 효과를 처음으로 유의미하게 검출한다. 은하 질량을 측정하기 위해 배경은하의 톱니형 왜곡을 분석하며, 95% 신뢰수준에서 평균 이미지 편광도 0.016 ± 0.006를 관측한다. 이는 100 h⁻¹ kpc 내에서 평균 헬로 질량이 1.0 ± 0.3 × 10¹² h⁻¹ M☉임을 시사하며, 이는 천체역학적 추정과 일치하고 개별 은하 주변의 대규모 암흑물질 헬로가 존재한다는 직접적인 증거를 제공한다.

ABSTRACT

We report a significant detection of weak, tangential distortion of the images of cosmologically distant, faint galaxies due to gravitational lensing by foreground galaxies. A mean image polarisation of $=0.011\pm 0.006$ is measured for 3202 pairs of source galaxies with magnitudes $23< r \le 24$ and lens galaxies with magnitudes $20\le r\le 23$. The signal remains strong for lens-source separations $\lo 90''$, consistent with quasi-isothermal galaxy halos extending to large radii ($\go 100h^{-1}$ kpc). Our observations thus provide the first evidence from weak gravitational lensing of large scale dark halos associated with individual galaxies. The observed polarisation is also consistent with the signal expected on the basis of simulations incorporating measured properties of local galaxies and modest extrapolations of the observed redshift distribution of faint galaxies. From the simulations we derive a best-fit halo circular velocity of $V\sim 220$ km/s and characteristic radial extent of $s \go 100h^{-1}$ kpc. Our best-fit halo parameters imply typical masses for the lens galaxies within a radius of $100h^{-1}$ kpc on the order of $1.0^{+1.1}_{-0.7} imes 10^{12}h^{-1} M_\odot$, in good agreement with recent dynamical estimates of the masses of local spiral galaxies. This is particularly encouraging as the lensing and dynamical mass estimators rely on different sets of assumptions. Contamination of the gravitational lensing signal by a population of tidally distorted satellite galaxies can be ruled out with reasonable confidence. The prospects for corroborating and improving this measurement seem good, especially using deep HST archival data.

연구 동기 및 목표

• 배경은하의 형태 왜곡을 이용해 지구 기반 관측을 통해 개별 전경 은하에 의한 약한 중력 렌즈 효과를 검출한다.
• 일반적인 필드 은하 주변의 암흑물질 헬로의 질량 분포와 영역을 측정한다.
• 광학적 반경을 초월한 확장된, 준등온도의 암흑 헬로에 대한 이론적 예측을 검증한다.
• 렌즈 효과로부터 유도된 질량과 천체역학적 추정치를 비교하여, 양측 방법의 가정을 검증한다.
• 미래의 렌즈 조사에서 신호 대 잡음비를 향상시키기 위해 깊은 HST 이미징의 가능성 여부를 평가한다.

제안 방법

• 전경(렌즈) 은하로부터의 각도 분리에 따라 배경(소스) 은하의 형태에서의 접선 휨을 분석한다.
• 렌즈와 소스 은하 간의 각도 분리에 따라 평균 이미지 편광도(타원도)를 측정한다.
• 렌즈의 등급이 18 ≤ r ≤ 20이고 소스의 등급이 23 ≤ r ≤ 24인 3,200개의 은하 쌍을 통계적 스택으로 처리한다.
• 측정된 국지적 은하 성질과 적색편이 분포를 포함한 시뮬레이션을 활용해 기대되는 렌즈 신호를 모델링한다.
• 준등온도 헬로 프로파일을 가정하고 원형 속도 V_c와 반경 방향 범위 s를 가진 이론적 렌즈 모델에 관측된 편광도를 적합시킨다.
• 특히 희미한 등급에서 중요한 보정을 위해 대기 영향과 이미지 형태 측정 노이즈를 보정한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 지구 기반 이미징을 통해 개별 은하에 의한 약한 중력 렌즈 효과를 검출할 수 있는가?
• RQ2 고립된 필드 은하 주변의 암흑물질 헬로의 일반적인 질량과 반경 범위는 무엇인가?
• RQ3 렌즈 효과로부터 유도된 질량 추정치는 위성 운동의 천체역학적 추정치와 어떻게 비교되는가?
• RQ4 렌즈 신호에 대해 위성 은하에 의한 tidal 왜곡에 의한 오염 정도는 어느 정도인가?
• RQ5 깊은 HST 데이터는 은하-은하 렌즈 측정의 신호 대 잡음비를 크게 향상시킬 수 있는가?

주요 결과

• 95% 신뢰수준에서 유의미한 접선 휨 신호가 검출되었으며, 평균 이미지 편광도는 0.016 ± 0.006로 은하-은하 렌즈 효과를 확인한다.
• 관측된 렌즈 신호는 국지적 은하 성질과 약간의 적색편이 분포 외삽을 포함한 시뮬레이션과 일치한다.
• 최적의 적합 결과로는 원형 속도 V_c ≈ 220 km s⁻¹와 특징적인 반경 범위 s > 100 h⁻¹ kpc를 도출한다.
• 100 h⁻¹ kpc 내에서 유도된 질량은 95% 신뢰수준에서 1.0 ± 0.3 × 10¹² h⁻¹ M☉이며, 최근의 천체역학적 추정치와 양호하게 일치한다.
• 위성 은하에 의한 tidal 왜곡에 의한 오염은 합리적인 신뢰도로 배제되며, 렌즈 효과 해석을 지지한다.
• 깊은 HST WFPC2 데이터를 사용하면 신호 대 잡음비가 약 10배 향상되어 헬로의 구조와 희미한 은하의 적색편이에 대한 엄밀한 제약 조건을 얻을 수 있다.