[论文解读] Cosmology with Galaxy Clusters: III. Gravitationally Lensed Arc Statistics as a Cosmological Probe

Asantha Cooray|arXiv (Cornell University)|Jul 14, 1998

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena参考文献 2被引用 3

一句话总结

本文通过建模前景星系团的强引力透镜效应，提出利用光学、射电和亚毫米波段的引力透镜弧统计作为宇宙学探针。与先前工作相比，该研究引入了星系团和背景源的红移演化，发现观测到的光学弧数量与低物质密度的平坦宇宙模型（Ω₀ ≈ 0.3）一致，预测在ΛCDM类宇宙学模型下，约有1,500个放大的射电源（S > 10 μJy，μ > 2）和约30,000个放大的亚毫米波源（850 μm）。

ABSTRACT

We calculate the expected number of gravitationally lensed optical, radio and sub-mm lensed sources on the whole sky due to foreground galaxy clusters for different cosmological models. We improve previous calculations of lensed arc statistics by including redshift information for background sources and accounting for the redshift evolution of the foreground lensing clusters. The background sources are described based on the redshift and optical magnitude or flux distribution for sources in the Hubble Deep Field (HDF). Using the HDF luminosity function, we also account for the magnification bias in magnitude-limited observational programs to find lensed optical arcs. Based on the results from optical arc surveys, we find that the observed number of arcs can easily be explained in a flat universe with low values for cosmological mass density of the universe. At radio wavelengths (1.4 GHz), we predict \sim 1500 lensed radio sources with flux densities greater than 10 muJy, and with amplifications due to lensing greater than 2, in a flat cosmology with Omega=0.3 and Lambda=0.7. At sub-mm wavelengths (850 mum), the number of lensed sources expected towards the same foreground lens population and cosmology is \sim 3 x 10^4. We briefly consider the possibility of using the South Pole 10-m sub-mm telescope and the Planck surveyor to identify lensed sub-mm sources. A catalog of around 100 gravitationally lensed sources at 353 GHz may be a useful by-product of Planck. (Abridged)

研究动机与目标

• 评估星系团中透镜弧统计的宇宙学敏感性。
• 通过引入前景透镜星系团和背景源群的红移演化，改进先前的透镜率估算。
• 量化在不同宇宙学模型下，光学、射电和亚毫米波段的预期透镜源数量。
• 评估利用未来巡天（如Planck和南极望远镜）探测透镜亚毫米波源的可行性。
• 基于哈勃深空星系的光度函数，考虑星等限制巡天中的放大效应偏差。

提出的方法

• 利用星系团的投影质量分布建模透镜光学深度，整合星系团密度和质量函数的红移演化。
• 利用哈勃深空星系光度函数描述光学、射电和亚毫米波段背景源的红移和星等分布。
• 基于光度函数和透镜放大因子，对星等限制巡天应用放大效应偏差校正。
• 计算不同宇宙学模型下单位面积天空的预期透镜源数量，包括Ω₀ = 0.3、Λ₀ = 0.7的平坦ΛCDM模型。
• 利用计划中的仪器（如Planck巡天器和南极10米亚毫米波望远镜）估算透镜亚毫米波源的可探测性。
• 将透镜截面与源密度及红移分布积分，计算全天空的总预期透镜源数量。

实验结果

研究问题

• RQ1 前景星系团和背景源的红移演化如何影响不同波段中预测的透镜弧数量？
• RQ2 哪些宇宙学模型最能重现星系团巡天中观测到的光学弧统计？
• RQ3 在Ω₀ = 0.3、Λ₀ = 0.7的平坦宇宙中，预期有多少个通量大于10 μJy且放大因子大于2的透镜射电源？
• RQ4 在相同的宇宙学模型下，850 μm波段的引力透镜亚毫米波源预期数量是多少？
• RQ5 未来的亚毫米波巡天（如Planck或南极望远镜）是否能作为副产品探测到统计上显著数量的透镜源？

主要发现

• 观测到的引力透镜光学弧数量与低物质密度的平坦宇宙模型（Ω₀ ≈ 0.3）一致。
• 在Ω₀ = 0.3、Λ₀ = 0.7的平坦宇宙中，预计在整个天空中将有约1,500个通量大于10 μJy且放大因子大于2的透镜射电源。
• 在亚毫米波段（850 μm），该模型预测在相同前景星系团群中，将有约30,000个透镜源。
• 在星等限制巡天中考虑放大效应偏差，显著影响可探测透镜光学弧数量的预测。
• 作为Planck巡天器任务的副产品，有望获得约100个353 GHz波段的引力透镜源目录。
• 南极10米亚毫米波望远镜在该宇宙学框架下，也是识别透镜亚毫米波源的可行仪器。