[论文解读] Probing sub-galactic mass structure with the power spectrum of surface-brightness anomalies in high-resolution observations of galaxy-galaxy strong gravitational lenses. II.Observational constraints on the sub-galactic matter power spectrum

Dorota Bayer, Saikat Chatterjee+6 more|arXiv (Cornell University)|Mar 15, 2018

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena参考文献 7被引用 22

一句话总结

本研究提出了一种新方法，利用哈勃空间望远镜对星系-星系强引力透镜的高分辨率观测中表面亮度异常的功率谱，约束星系内的物质功率谱。将该方法应用于SDSS J0252+0039，首次在99%置信水平下设定了无量纲汇聚功率谱Δ²₆κ的观测上限：在0.5-kpc尺度上Δ²₆κ < 1（σ_AM < 0.8×10⁸ M☉），在1-kpc尺度上Δ²₆κ < 0.1（σ_AM < 1×10⁸ M☉），在3-kpc尺度上Δ²₆κ < 0.01（σ_AM < 3×10⁸ M☉）。

ABSTRACT

Stringent observational constraints on the sub-galactic matter power spectrum would allow one to distinguish between the concordance $Λ$CDM and the various alternative dark-matter models that predict significantly different properties of mass structure in galactic haloes. Galaxy-galaxy strong gravitational lensing provides a unique opportunity to probe the sub-galactic mass structure in lens galaxies beyond the Local Group. Here, we demonstrate the first application of a novel methodology to observationally constrain the sub-galactic matter power spectrum in the inner regions of massive elliptical lens galaxies on 1-10 kpc scales from the power spectrum of surface-brightness anomalies in highly magnified galaxy-scale Einstein rings and gravitational arcs. The pilot application of our approach to Hubble Space Telescope (HST/WFC3/F390W) observations of the SLACS lens system SDSS J0252+0039 allows us to place the following observational constraints (at the 99 per cent confidence level) on the dimensionless convergence power spectrum $Δ^{2}_{δκ}$ and the standard deviation in the aperture mass $σ_{ m AM}$: $Δ^{2}_{δκ}&lt;1$ ($σ_{ m AM}&lt; 0.8 imes 10^8 M_\odot$) on 0.5-kpc scale, $Δ^{2}_{δκ}&lt;0.1$ ($σ_{ m AM}&lt; 1 imes 10^8 M_\odot$) on 1-kpc scale and $Δ^{2}_{δκ}&lt;0.01$ ($σ_{ m AM}&lt; 3 imes 10^8 M_\odot$) on 3-kpc scale. These first upper-limit constraints still considerably exceed the estimated effect of CDM subhaloes. However, future analysis of a larger sample of galaxy-galaxy strong lens systems can substantially narrow down these limits and possibly rule out dark-matter models that predict a significantly higher level of density fluctuations on the critical sub-galactic scales.

研究动机与目标

• 在本星系群以外的巨椭圆透镜星系中，对星系内物质功率谱施加观测约束。
• 通过探测1–10 kpc尺度上的质量结构，检验ΛCDM模型及其它暗物质模型的预测。
• 开发并应用一种基于透镜图像中表面亮度异常功率谱的新方法，以探测微弱亚结构。
• 利用高分辨率哈勃望远镜数据，量化透镜星系内区的密度涨落水平。
• 为可能由暗物质亚晕或其他亚结构引起的扰动幅度提供上限。

提出的方法

• 利用哈勃空间望远镜WFC3/F390W对星系-星系强引力透镜系统SDSS J0252+0039的高分辨率观测数据。
• 应用一种基于爱因斯坦环和引力弧中表面亮度异常功率谱的新型统计方法，探测星系内质量结构。
• 采用平滑透镜模型对透镜势进行建模，降低源重建的分辨率，以减少源结构与亚结构引起的扰动之间的混淆。
• 分析由高斯随机场（GRF）势扰动δψ_GRF(x)产生的微分偏转角δα(x)的功率谱，其幂律斜率β在3至8之间。
• 将势扰动方差σ²_δψ的约束转化为对无量纲汇聚功率谱Δ²₆κ(λ)和孔径质量标准差σ_AM(λ)的约束。
• 采用贝叶斯框架计算在99%置信水平下对物质功率谱模型的排除概率，考虑视场、点扩散函数（PSF）和信噪比的影响。

实验结果

研究问题

• RQ1 在大质量椭圆星系内区，星系内物质功率谱幅度的观测上限是什么？
• RQ2 在强引力透镜系统中观测到的表面亮度异常在多大程度上排除了在0.5–3 kpc尺度上存在显著亚结构的模型？
• RQ3 偏转角扰动的功率谱如何依赖于空间尺度及所假设的势扰动谱的幂律斜率？
• RQ4 该方法能否区分ΛCDM预测的亚晕群体与小尺度功率受抑制的其他暗物质模型？
• RQ5 决定透镜图像中亚结构可探测性的主导物理量是什么——偏转角的总方差还是其谱分布？

主要发现

• 本研究首次在99%置信水平下设定了无量纲汇聚功率谱Δ²₆κ的观测上限：在0.5-kpc尺度上Δ²₆κ < 1，在1-kpc尺度上Δ²₆κ < 0.1，在3-kpc尺度上Δ²₆κ < 0.01。
• 对应的孔径质量标准差σ_AM上限为：在0.5 kpc处< 0.8×10⁸ M☉，在1 kpc处< 1×10⁸ M☉，在3 kpc处< 3×10⁸ M☉。
• 微分偏转角的总方差σ²_δα在所有考虑的尺度和幂律斜率β ∈ [3,8]范围内被约束为< 6×10⁻³，表明扰动的整体幅度是决定可探测性的关键因素。
• 对物质功率谱模型的排除概率几乎不依赖于偏转角功率谱P_δα(k)的斜率β，意味着总功率在决定可探测性方面占主导地位，而非谱形。
• 该方法通过在平滑透镜模型中降低源重建的分辨率，成功缓解了源结构与亚结构之间的混淆。
• 这些约束仍显著高于冷暗物质（CDM）亚晕的预期贡献，表明未来对更大透镜样本的分析对于实现对ΛCDM预测亚结构水平的灵敏探测至关重要。