[论文解读] COSMOGRAIL: the COSmological MOnitoring of GRAvItational Lenses VII. Time delays and the Hubble constant from WFI J2033-4723

C. Vuissoz, F. Courbin+11 more|Zurich Open Repository and Archive (University of Zurich)|Mar 27, 2008

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena参考文献 33被引用 45

一句话总结

本研究利用EULER和SMARTS望远镜三年的R波段监测数据，测量了四重像类星体WFI J2033–4723的时延，精度分别达到3.8%和6.5%。通过非参数建模得到H₀ = 67⁺¹³₋₁₀ km s⁻¹ Mpc⁻¹，通过单个等温球模型得到H₀ = 63⁺⁷₋³ km s⁻¹ Mpc⁻¹，与标准宇宙学值一致；光度比未显示短期微引力透镜效应，但异常现象提示存在长期色依赖的微引力透镜效应。

ABSTRACT

Gravitationally lensed quasars can be used to map the mass distribution in lensing galaxies and to estimate the Hubble constant H0 by measuring the time delays between the quasar images. Here we report the measurement of two independent time delays in the quadruply imaged quasar WFI J2033-4723 (z = 1.66). Our data consist of R-band images obtained with the Swiss 1.2 m EULER telescope located at La Silla and with the 1.3 m SMARTS telescope located at Cerro Tololo. The light curves have 218 independent epochs spanning 3 full years of monitoring between March 2004 and May 2007, with a mean temporal sampling of one observation every 4th day. We measure the time delays using three different techniques, and we obtain Dt(B-A) = 35.5 +- 1.4 days (3.8%) and Dt(B-C) = 62.6 +4.1/-2.3 days (+6.5%/-3.7%), where A is a composite of the close, merging image pair. After correcting for the time delays, we find R-band flux ratios of F_A/F_B = 2.88 +- 0.04, F_A/F_C = 3.38 +- 0.06, and F_A1/F_A2 = 1.37 +- 0.05 with no evidence for microlensing variability over a time scale of three years. However, these flux ratios do not agree with those measured in the quasar emission lines, suggesting that longer term microlensing is present. Our estimate of H0 agrees with the concordance value: non-parametric modeling of the lensing galaxy predicts H0 = 67 +13/-10 km s-1 Mpc-1, while the Single Isothermal Sphere model yields H0 = 63 +7/-3 km s-1 Mpc-1 (68% confidence level). More complex lens models using a composite de Vaucouleurs plus NFW galaxy mass profile show twisting of the mass isocontours in the lensing galaxy, as do the non-parametric models. As all models also require a significant external shear, this suggests that the lens is a member of the group of galaxies seen in field of view of WFI J2033-4723.

研究动机与目标

• 利用长期光学监测，精确测量四重像类星体WFI J2033–4723的时延。
• 利用时延和透镜质量模型独立估算哈勃常数H₀，避免依赖本地距离阶梯校准。
• 在三年基线上评估微引力透镜对光度比的影响及其存在性。
• 研究透镜星系的质量分布及其环境，包括外部剪切和星系团相互作用。

提出的方法

• 使用1.2米EULER和1.3米SMARTS望远镜，在三年内（2004年3月至2007年5月）获取了218个R波段测光观测历元，平均观测间隔为每4天一次。
• 应用MCS去卷积测光算法从类星体像中提取光变曲线，并校正点扩散函数（PSF）的变化。
• 采用三种独立技术测量时延，以确保结果稳健并减少系统误差。
• 构建了参数化（如单个等温球、de Vaucouleurs + NFW）和非参数化透镜模型，以推断质量分布和临界表面密度等高线。
• 在透镜模型中引入外部剪切及多个星系（G1、G2以及位于约9″北侧的星系团）以考虑环境影响。
• 将时延和光度比作为约束条件，检验透镜模型与宇宙学参数（尤其是H₀）的一致性。

实验结果

研究问题

• RQ1 引力透镜类星体WFI J2033–4723的多个像之间时延是多少？
• RQ2 由测量的时延和透镜质量模型所推导出的哈勃常数H₀值是多少？
• RQ3 在三年监测期内，光度比中是否存在微引力透镜变化的证据？
• RQ4 透镜星系的质量分布和等密度轮廓与其光学生结构相比如何？这对其环境有何启示？
• RQ5 为何观测到的光学光度比与类星体发射线中的光度比不一致？这暗示了何种长期微引力透镜效应？

主要发现

• 图像B与A（A为A₁和A₂的混合像）之间的时延为Δt_{B-A} = 35.5 ± 1.4天（不确定性为3.8%）。
• 图像B与C之间的时延为Δt_{B-C} = 62.6⁺⁴.¹₋₂.³天（不确定性为6.5%），不确定性不对称，源于非高斯误差传播。
• 非参数化透镜模型得出H₀ = 67⁺¹³₋₁₀ km s⁻¹ Mpc⁻¹，与标准宇宙学值一致。
• 单个等温球模型得出H₀ = 63⁺⁷₋³ km s⁻¹ Mpc⁻¹，同样与标准宇宙学值一致。
• 在三年R波段光度比中未观测到显著的微引力透镜变化，F_A/F_B = 2.88 ± 0.04，F_A/F_C = 3.38 ± 0.06。
• B和C图像中MgII发射线之间45%的光度比异常，以及波长依赖的光度比，表明存在未在光学连续谱中检测到的长期或色依赖性微引力透镜效应。