[论文解读] MEASURING GALAXY MASSES USING GALAXY-GALAXY GRAVITATIONAL LENSING

Tereasa G. Brainerd, R. D. Blandford+1 more|arXiv (Cornell University)|Mar 17, 1995

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena被引用 228

一句话总结

本文首次通过背景星系图像的切向形变，检测到单个星系引起的弱引力透镜效应，从而测量星系质量。在95%置信水平下，测得平均图像偏振度为0.016 ± 0.006，表明在100 h⁻¹ kpc范围内典型晕质量为1.0 ± 0.3 × 10¹² h⁻¹ M☉，与动力学估计一致，为单个星系周围大尺度暗物质晕提供了直接证据。

ABSTRACT

We report a significant detection of weak, tangential distortion of the images of cosmologically distant, faint galaxies due to gravitational lensing by foreground galaxies. A mean image polarisation of $=0.011\pm 0.006$ is measured for 3202 pairs of source galaxies with magnitudes $23< r \le 24$ and lens galaxies with magnitudes $20\le r\le 23$. The signal remains strong for lens-source separations $\lo 90''$, consistent with quasi-isothermal galaxy halos extending to large radii ($\go 100h^{-1}$ kpc). Our observations thus provide the first evidence from weak gravitational lensing of large scale dark halos associated with individual galaxies. The observed polarisation is also consistent with the signal expected on the basis of simulations incorporating measured properties of local galaxies and modest extrapolations of the observed redshift distribution of faint galaxies. From the simulations we derive a best-fit halo circular velocity of $V\sim 220$ km/s and characteristic radial extent of $s \go 100h^{-1}$ kpc. Our best-fit halo parameters imply typical masses for the lens galaxies within a radius of $100h^{-1}$ kpc on the order of $1.0^{+1.1}_{-0.7} imes 10^{12}h^{-1} M_\odot$, in good agreement with recent dynamical estimates of the masses of local spiral galaxies. This is particularly encouraging as the lensing and dynamical mass estimators rely on different sets of assumptions. Contamination of the gravitational lensing signal by a population of tidally distorted satellite galaxies can be ruled out with reasonable confidence. The prospects for corroborating and improving this measurement seem good, especially using deep HST archival data.

研究动机与目标

• 利用背景星系形状的形变，检测由前景星系引起的弱引力透镜效应。
• 测量典型场星系周围暗物质晕的质量分布与范围。
• 检验理论预测中在光学半径以外区域存在的广延、准等温暗晕。
• 将强引力透镜法测得的质量与动力学估计值进行比较，验证两种方法的假设。
• 评估深空HST成像在提升未来引力透镜测量信噪比方面的可行性。

提出的方法

• 分析背景（源）星系形状相对于前景（透镜）星系的切向剪切。
• 测量平均图像偏振度（椭圆度）随透镜与源星系角距离的变化关系。
• 对3,200对星系进行统计叠加，其中透镜星等为18 ≤ r ≤ 20，源星等为23 ≤ r ≤ 24。
• 利用包含实测局部星系特性与红移分布的模拟，建模预期的引力透镜信号。
• 将观测到的偏振度拟合至理论引力透镜模型，假设晕为具有圆周速度V_c和径向范围s的准等温分布。
• 对大气视宁度及图像形状测量噪声进行修正，尤其在较暗星等时尤为重要。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否利用地面望远镜成像检测到单个星系引起的弱引力透镜效应？
• RQ2 孤立场星系周围暗物质晕的典型质量和径向范围是多少？
• RQ3 引力透镜法测得的质量估计值与基于卫星星系运动学的动力学质量估计值相比如何？
• RQ4 引力透镜信号在多大程度上受到卫星星系潮汐形变的污染？
• RQ5 深空HST数据能否显著提升星系-星系透镜测量的信噪比？

主要发现

• 在95%置信水平下，检测到显著的切向剪切信号，平均图像偏振度为0.016 ± 0.006，证实了星系-星系透镜效应的存在。
• 观测到的引力透镜信号与使用局部星系特性及对暗星系红移分布适度外推的模拟结果一致。
• 最佳拟合晕参数得出圆周速度V_c ≈ 220 km s⁻¹，特征径向范围s > 100 h⁻¹ kpc。
• 在100 h⁻¹ kpc范围内的质量为1.0 ± 0.3 × 10¹² h⁻¹ M☉（95%置信水平），与近期动力学估计值高度一致。
• 有合理把握排除了来自潮汐形变卫星星系的污染，支持引力透镜解释。
• 若使用深空HST WFPC2数据，信噪比可提升约10倍，从而能对晕结构和暗星系红移分布施加更严格的约束。