[论文解读] Galaxy-galaxy strong lens perturbations: line-of-sight haloes versus lens subhaloes

Qiuhan He, Ran Li+9 more|arXiv (Cornell University)|Oct 9, 2021

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena参考文献 64被引用 20

一句话总结

本研究通过模拟真实观测图像并评估图像重建改进的统计显著性，重新评估了在星系-星系强引力透镜中视线方向晕与透镜亚晕的可探测性。结果表明，先前估计的视线方向扰动体探测率高估了最多两倍，中等深度成像对视线方向晕的敏感度仅略高于亚晕，而深度成像检测到的视线方向扰动体数量约为亚晕的两倍。

ABSTRACT

We rederive the number density of intervening line-of-sight haloes relative to lens subhaloes in galaxy-galaxy strong lensing observations, where these perturbers can generate detectable image fluctuations. Previous studies have calculated the detection limit of a line-of-sight small-mass dark halo by comparing the lensing deflection angles it would cause, to those caused by a subhalo within the lens. However, this overly simplifies the difference in observational consequences between a subhalo and a line-of-sight halo. Furthermore, it does not take into account degeneracies between an extra subhalo and the uncertain properties of the main lens. More in keeping with analyses of real-world observations, we regard a line-of-sight halo as detectable only if adding it to a smooth model generates a statistically significant improvement in the reconstructed image. We find that the number density of detectable line-of-sight perturbers has been overestimated by as much as a factor of two in the previous literature. For typical lensing geometries and configurations, very deep imaging is sensitive to twice as many line-of-sight perturbers as subhaloes, but moderate depth imaging is sensitive to only slightly more line-of-sight perturbers than subhaloes.

研究动机与目标

• 重新评估星系-星系强引力透镜中可探测的视线方向晕与透镜亚晕的相对数密度。
• 解决先前研究中依赖偏转角比较和有效质量近似所存在的局限性。
• 使用基于图像重建改进的统计严格框架评估可探测性，同时考虑噪声和透镜模型退化问题。
• 量化曝光深度如何影响对低质量扰动体的敏感度，以及视线方向晕与亚晕的相对贡献。
• 为利用强引力透镜观测约束暗物质模型提供更准确的基础。

提出的方法

• 使用包含恒星物理和完整透镜建模的高分辨率流体动力学模拟，生成真实的强引力透镜模拟图像。
• 通过检验在平滑透镜模型中增加视线方向晕是否能带来图像重建的统计显著性改进，来评估可探测性。
• 使用PyAutoFit和PyAutoLens进行贝叶斯推断，对透镜系统建模并量化检测阈值。
• 计算在不同红移和曝光时间（2000秒至8000秒）下，视线方向NFW晕的检测极限（mth）。
• 与先前研究（Li17, D18）使用偏转角等价性进行比较，发现视线方向晕可探测性存在系统性高估。
• 分析多种透镜构型和红移下的敏感度函数及质量-阈值-红移关系。

实验结果

研究问题

• RQ1 当通过统计图像重建改进来评估时，视线方向晕的可探测性与透镜亚晕相比如何？
• RQ2 由于简化了偏转角比较，先前对视线方向晕数密度的估计高估程度有多大？
• RQ3 曝光时间如何影响对低质量视线方向扰动体和亚晕的敏感度？
• RQ4 引力透镜几何结构和源红移如何影响视线方向晕与亚晕的相对可探测性？
• RQ5 质量-浓度分布的离散性以及晕的聚类效应对低质量扰动体可探测性有何影响？

主要发现

• 由于依赖偏转角等价性，先前文献中对可探测视线方向扰动体数密度的估计最高被高估了两倍。
• 在典型透镜构型下，中等深度成像对视线方向扰动体的敏感度仅略高于亚晕，与早期声称的3–10倍优势相反。
• 极深成像（8000秒曝光）对视线方向扰动体的敏感度约为亚晕的两倍，表明其对深度高度依赖。
• 视线方向晕的检测阈值随红移变化，在透镜红移为z = 0.5时，中间红移（z ≈ 0.5–0.7）处检测阈值最低。
• 敏感度函数显示，高红移（z > 0.5）的扰动体更难探测，原因在于角尺度减小和噪声增加。
• 本研究确认质量-浓度离散性可提升可探测性，但该效应不足以抵消先前方法带来的高估。