[论文解读] COSMOGRAIL: the COSmological MOnitoring of GRAvItational Lenses XIV. Time delay of the doubly lensed quasar SDSS J1001+5027

Sushil Kumar, M. Tewes+9 more|arXiv (Cornell University)|Jun 21, 2013

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena参考文献 9被引用 33

一句话总结

本文利用COSMOGRAIL监测计划获取的443条R波段光曲线，对双重透镜类星体SDSS J1001+5027的时延进行了高精度测量。通过结合四种独立的时延估计算法——包括一种新型的外在变异性建模方法和一种盲置信高斯过程分析——研究报告得出最终时延为Δt_AB = −119.3 ± 3.3天，图像A领先于图像B，相对不确定度为2.8%（包含系统误差）。

ABSTRACT

This paper presents optical R-band light curves and the time delay of the doubly imaged gravitationally lensed quasar SDSS J1001+5027 at a redshift of 1.838. We have observed this target for more than six years, between March 2005 and July 2011, using the 1.2-m Mercator Telescope, the 1.5-m telescope of the Maidanak Observatory, and the 2-m Himalayan Chandra Telescope. Our resulting light curves are composed of 443 independent epochs, and show strong intrinsic quasar variability, with an amplitude of the order of 0.2 magnitudes. From this data, we measure the time delay using five different methods, all relying on distinct approaches. One of these techniques is a new development presented in this paper. All our time-delay measurements are perfectly compatible. By combining them, we conclude that image A is leading B by 119.3 +/- 3.3 days (1 sigma, 2.8% uncertainty), including systematic errors. It has been shown recently that such accurate time-delay measurements offer a highly complementary probe of dark energy and spatial curvature, as they independently constrain the Hubble constant. The next mandatory step towards using SDSS J1001+5027 in this context will be the measurement of the velocity dispersion of the lensing galaxy, in combination with deep Hubble Space Telescope imaging.

研究动机与目标

• 利用长期测光监测，高精度测量引力透镜类星体SDSS J1001+5027两幅图像之间的时延。
• 评估不同时间延迟估计算法的鲁棒性，特别是在存在外在变异性及系统误差的情况下。
• 结合多种独立方法获得的时间延迟测量结果，得出一个稳健且系统误差较低的估计值。
• 提供高精度的时间延迟结果，用于宇宙学建模，特别是通过强引力透镜技术约束H₀和Ωₖ。
• 验证不同方法结果之间的一致性，包括对基于高斯过程的技术进行盲应用。

提出的方法

• 2004年至2011年期间，使用三台地面望远镜——2.0米喜马拉雅钱德拉望远镜、1.5米AZT-22和1.2米梅尔卡托望远镜——获取了SDSS J1001+5027的443条R波段测光观测数据。
• 应用了四种不同的时间延迟估计算法，包括Tewes等人（2013a）提出的方法，并引入一种新方法，通过平滑差分光曲线建模外在变异性。
• 引入了Hojjati等人（2013）提出的盲置信高斯过程方法，独立应用且不事先知晓其他结果，以检验方法的独立性。
• 对每种方法量化了随机误差和系统误差，系统误差通过交叉比较和一致性检验进行评估。
• 由于发散型方法受系统误差主导，故从最终平均中排除，并将剩余四种一致结果的平均值作为组合估计。
• 将最终时间延迟计算为四个最佳估计值的平均值，其不确定性通过这些估计值总误差棒（随机误差+系统误差，按平方和开方）的平均值获得。

实验结果

研究问题

• RQ1 基于长期测光监测，引力透镜类星体SDSS J1001+5027两幅图像之间的精确时延是多少？
• RQ2 在存在外在变异性的情况下，不同时间延迟估计算法对同一组光曲线的鲁棒性如何？
• RQ3 独立方法，包括一种盲置信高斯过程方法，其时间延迟测量结果在多大程度上保持一致？
• RQ4 哪种时间延迟估计算法最易受系统误差影响？此类偏差如何识别和缓解？
• RQ5 通过多种不同方法组合获得的时间延迟估计，是否能比任何单一方法实现更高的可靠性与更低的不确定性？

主要发现

• SDSS J1001+5027两幅图像之间的最终时延为Δt_AB = −119.3 ± 3.3天，图像A领先于图像B，相对不确定度为2.8%（包含系统误差）。
• 四种独立的时间延迟估计算法，包括一种新型外在变异性建模方法，结果一致，且具有相似的随机误差与系统误差范围。
• Hojjati等人（2013）提出的盲置信高斯过程方法得出兼容结果Δt_AB = −117.8 ± 3.2天，证实了该测量在方法差异下的鲁棒性。
• 发散型时间延迟技术受系统误差主导，因此从最终组合中被排除。
• 五种不同方法——四种基于COSMOGRAIL数据，一种盲置信高斯过程分析——结果的一致性，证实了最终时间延迟估计的可靠性。
• 高精度时间延迟结果使得结合强引力透镜建模与额外数据后，能对宇宙学参数（如哈勃常数H₀和曲率Ωₖ）实现更优约束。