[论文解读] COSMOGRAIL: the COSmological MOnitoring of GRAvItational Lenses IX. Time delays, lens dynamics and baryonic fraction in HE 0435-1223

F. Courbin, V. Chantry+14 more|arXiv (Cornell University)|Sep 8, 2010

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena参考文献 46被引用 63

一句话总结

本研究基于COSMOGRAIL监测计划七年的R波段测光数据，对四重像类星体HE 0435-1223实现了精确的时间延迟测量。通过结合哈勃空间望远镜NICMOS成像的高精度天体测量、恒星群体建模以及速度弥散测量，作者约束了重子物质分数和透镜质量分布，从而为未来数据深度和光谱分辨率提升后提供稳健的哈勃常数估计奠定了基础。

ABSTRACT

We present accurate time delays for the quadruply imaged quasar HE 0435-1223. The delays were measured from 575 independent photometric points obtained in the R-band between January 2004 and March 2010. With seven years of data, we clearly show that quasar image A is affected by strong microlensing variations and that the time delays are best expressed relative to quasar image B. We measured Delta_t(BC) = 7.8+/-0.8 days, Delta_t(BD) = -6.5+/-0.7 days and Delta_t_CD = -14.3+/-0.8 days. We spacially deconvolved HST NICMOS2 F160W images to derive accurate astrometry of the quasar images and to infer the light profile of the lensing galaxy. We combined these images with a stellar population fitting of a deep VLT spectrum of the lensing galaxy to estimate the baryonic fraction, $f_b$, in the Einstein radius. We measured f_b = 0.65+0.13-0.10 if the lensing galaxy has a Salpeter IMF and f_b = 0.45+0.04-0.07 if it has a Kroupa IMF. The spectrum also allowed us to estimate the velocity dispersion of the lensing galaxy, sigma_ap = 222+/-34 km/s. We used f_b and sigma_ap to constrain an analytical model of the lensing galaxy composed of an Hernquist plus generalized NFW profile. We solve the Jeans equations numerically for the model and explored the parameter space under the additional requirement that the model must predict the correct astrometry for the quasar images. Given the current error bars on f_b and sigma_ap, we did not constrain H0 yet with high accuracy, i.e., we found a broad range of models with chi^2 < 1. However, narrowing this range is possible, provided a better velocity dispersion measurement becomes available. In addition, increasing the depth of the current HST imaging data of HE 0435-1223 will allow us to combine our constraints with lens reconstruction techniques that make use of the full Einstein ring that is visible in this object.

研究动机与目标

• 利用长期测光监测，精确测量强引力透镜类星体HE 0435-1223的时间延迟。
• 利用恒星群体合成与深VLT光谱，确定透镜星系爱因斯坦半径内的重子质量分数。
• 结合速度弥散与天体测量数据，利用Jeans建模方法，对包含恒星与暗物质组分的透镜势进行约束。
• 评估基于时间延迟宇宙学方法独立测定哈勃常数的可行性，而不依赖标准烛光。
• 识别后续观测改进措施，如更深层的哈勃空间望远镜成像与积分场光谱，以提升H₀的约束精度。

提出的方法

• 利用Euler、Mercator与Maidanak望远镜，从2004年至2010年获取575个R波段测光点，用于时间延迟测量。
• 对哈勃空间望远镜NICMOS F160W图像进行空间去卷积，以获得类星体像与透镜星系光度分布的精确天体测量。
• 将透镜星系的深VLT光谱与恒星群体模型拟合，基于Salpeter与Kroupa初始质量函数，推导出恒星质量光度比与重子物质分数。
• 从VLT光谱中测得透镜星系的孔径速度弥散为σ_ap = 222 ± 34 km s⁻¹。
• 构建包含Hernquist（恒星）与广义NFW（暗物质）轮廓的复合透镜模型，结合天体测量约束，数值求解Jeans方程。
• 在参数空间中引入外部剪切与SIS组分（G22），以考虑附近质量结构的影响，同时承认可能存在星系群引起的汇聚效应。

实验结果

研究问题

• RQ1 四重像类星体HE 0435-1223中各像之间的精确时间延迟是多少？微透镜效应如何影响其测量？
• RQ2 透镜星系爱因斯坦半径内的重子质量分数是多少？其结果如何依赖于所假设的初始质量函数？
• RQ3 时间延迟、速度弥散与天体测量的联合约束能否实现对哈勃常数H₀的高精度估计？
• RQ4 透镜模型中的不确定性，特别是外部汇聚与星系群环境的影响，如何影响所推导的H₀值？
• RQ5 哪些后续观测手段最能有效降低时间延迟宇宙学中透镜质量结构与H₀之间的参数退化？

主要发现

• 相对于图像B的时间延迟为Δt_BC = 7.8 ± 0.8天，Δt_BD = -6.5 ± 0.7天，Δt_CD = -14.3 ± 0.8天，由于基线长且采样密度高，误差低于10%。
• 微透镜效应显著影响图像A，因此图像B是时间延迟测量的最佳参考点。
• 爱因斯坦半径内的重子物质分数为f_b = 0.65⁺⁰.¹³₋₀.¹⁰（Salpeter初始质量函数）与f_b = 0.45⁺⁰.⁰⁴₋₀.⁰⁷（Kroupa初始质量函数）。
• 从VLT光谱测得透镜星系的速度弥散为σ_ap = 222 ± 34 km s⁻¹。
• 最优拟合透镜模型得到总质量幂律指数γ′ = 2.1 ± 0.1，与先前研究一致，预测哈勃常数H₀范围为57 < H₀ < 71 km s⁻¹ Mpc⁻¹。
• 当前f_b与σ_ap的不确定性限制了H₀的精确约束，但未来提升速度弥散测量精度与更深层的HST成像，有望将误差降低至约1%。