[논문 리뷰] Strong lensing in the MareNostrum Universe: biases in the cluster lens population

M. Meneghetti, C. Fedeli외 3명|2010. 03. 23.

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena인용 수 50

한 줄 요약

이 연구는 마레누스트룸 우주 N-body/유체역학 시뮬레이션을 사용하여 강한 렌즈 효과를 보이는 은하단의 선택 편향을 조사한다. 강한 렌즈 효과를 보이는 은하단은 일반적인 은하단보다 체계적으로 더 무겁고, 더 높은 동역학적 활동성과 더 높은 X선 복사선 밝기, 그리고 선형 방향으로 더 강하게 정렬되어 있음을 밝혀내며, 이는 투영된 데이터로부터 추정된 농도와 질량에 대한 편향된 추정을 초래한다.

ABSTRACT

Strong lensing is one of the most direct probes of the mass distribution in the inner regions of galaxy clusters. It can be used to constrain the density profiles and to measure the mass of the lenses. Moreover, the abundance of strong lensing events can be used to constrain the structure formation and the cosmological parameters through the so-called "arc-statistics" approach. However, several issues related to the usage of strong lensing clusters in cosmological applications are still controversial, leading to the suspect that several biases may affect this very peculiar class of objects. With this study we aim at better understanding the properties of galaxy clusters which can potentially act as strong lenses. We do so by investigating the properties of a large sample of galaxy clusters extracted from the N-body/hydrodynamical simulation MareNostrum Universe. We explore the correlation between the cross section for lensing and many properties of clusters, like the mass, the three-dimensional and projected shapes, their concentrations, the X-ray luminosity and the dynamical activity. We find that the probability of strong alignments between the major axes of the lenses and the line of sight is a growing function of the lensing cross section. In projection, the strong lenses appear rounder within R200, but we find that their cores tend to be more elliptical as the lensing cross section increases. We also find that the cluster concentrations estimated from the projected density profiles tend to be biased high. The X-ray luminosity of strong lensing clusters is higher than that of normal lenses of similar mass and redshift. This is particular significant for the least massive lenses. Finally, we find that the strongest lenses generally exhibit an excess of kinetic energy within the virial radius, indicating that they are more dynamically active than usual clusters.

연구 동기 및 목표

• 강한 렌즈 효과를 잘 보이는 은하단의 본질적 성질을 이해하기 위해.
• 관측된 강한 렌즈 효과 은하단 집단에 영향을 주는 선택 편향을 규명하기 위해.
• 렌즈 효과 단면과의 관련성을 정량화하기 위해 방향, 동역학적 활동성, X선 복사선 밝기 간의 상관관계를 분석하기 위해.
• 이러한 편향이 우주론적 연구에서 추정된 은하단 농도와 질량에 어떤 영향을 미치는지 평가하기 위해.
• 강한 렌즈 효과 은하단이 일반 은하단 집단의 대표성 있는 샘플인지, 아니면 매우 편향된 하위집단인지 평가하기 위해.

제안 방법

• 마레누스트룸 우주 N-body/유체역학 시뮬레이션에서 대규모 은하단 샘플을 추출하였다.
• 각 은하단에 대해 레이 트레이싱 시뮬레이션을 수행하여 거대 아크에 대한 강한 렌즈 효과 단면을 계산하였다.
• 렌즈 효과 단면과 은하단 성질 간의 상관관계를 분석하였다: 3차원/2차원 형태, 농도, X선 복사선 밝기, 비틀림 에너지.
• 스택된 질량 및 적색편이 밴드를 사용하여 렌즈 효과 은하단 성질을 일반 은하단 집단과 비교하였다.
• 은하단 주축과 선형 방향 간의 정렬 정도를 측정하여 방향 편향을 정량화하였다.
• 비틀림 반경 내에서 비틀림 평형에서의 이격과 운동 에너지를 통해 동역학적 활동성을 평가하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 깊은 허블 관측에서 감지 가능한 거대 아크를 생성하기 위해 필요한 최소 은하단 질량은 얼마인가?
• RQ2 강한 렌즈 효과 은하단의 3차원 형태는 일반 은하단 집단과 비교하여 어떻게 다른가?
• RQ3 렌즈 효과 단면에 영향을 주는 은하단의 선형 방향 정렬 정도는 어느 정도인가?
• RQ4 유사 질량의 비렌즈 은하단과 비교할 때, 강한 렌즈 효과 은하단의 투영된 농도와 X선 복사선 밝기는 어떻게 다른가?
• RQ5 은하단의 동역학적 활동성과 강한 렌즈 효과 효율성 간의 관계는 어떠한가?

주요 결과

• 깊은 허블 관측에서 적어도 하나의 거대 아크를 생성하기 위해 필요한 최소 은하단 질량은 약 2 × 10¹⁴ h⁻¹ M☉이다.
• 강한 렌즈 효과 은하단은 3차원적으로 삼축성의 현저한 초과가 없지만, 주축이 선형 방향으로 강하게 정렬되어 있음을 보여준다.
• 투영된 은하단 형태는 R₂₀₀ 내에서 방향 편향으로 인해 더 둥글게 보이지만, 고렌즈 단면 은하단의 중심 질량 분포는 더 타원형이다.
• 선형 방향 정렬과 긴장된 삼축 모델로 인해, 가장 효율적인 렌즈의 경우 투영된 농도가 최대 두 배까지 과대평가된다.
• 고정 질량에서 강한 렌즈 효과 은하단은 일반 은하단보다 더 높은 X선 복사선 밝기를 보이며, 특히 낮은 질량에서 두드러진다. 이는 X선 밝기와 렌즈 효율성 간의 물리적 연관성을 시사한다.
• 가장 강력한 렌즈 효과 은하단은 비틀림 평형에서의 뚜렷한 이격을 보이며, 더 높은 운동 에너지와 더 높은 동역학적 활동성을 나타내며, 이는 계속 진행 중인 충돌 또는 구조물의 유입과 일치한다.