[论文解读] Strong lensing in the MareNostrum Universe: biases in the cluster lens population

M. Meneghetti, C. Fedeli+3 more|Mar 23, 2010

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena被引用 50

一句话总结

本研究利用MareNostrum宇宙N体/流体动力学模拟，调查了强引力透镜星系团中的选择偏差。研究发现，强引力透镜星系团在系统上比普通星系团更质量更大、动力学活动更活跃、X射线亮度更高，并且更倾向于沿视线方向对齐，导致从投影数据推断的集中度和质量出现偏差。

ABSTRACT

Strong lensing is one of the most direct probes of the mass distribution in the inner regions of galaxy clusters. It can be used to constrain the density profiles and to measure the mass of the lenses. Moreover, the abundance of strong lensing events can be used to constrain the structure formation and the cosmological parameters through the so-called "arc-statistics" approach. However, several issues related to the usage of strong lensing clusters in cosmological applications are still controversial, leading to the suspect that several biases may affect this very peculiar class of objects. With this study we aim at better understanding the properties of galaxy clusters which can potentially act as strong lenses. We do so by investigating the properties of a large sample of galaxy clusters extracted from the N-body/hydrodynamical simulation MareNostrum Universe. We explore the correlation between the cross section for lensing and many properties of clusters, like the mass, the three-dimensional and projected shapes, their concentrations, the X-ray luminosity and the dynamical activity. We find that the probability of strong alignments between the major axes of the lenses and the line of sight is a growing function of the lensing cross section. In projection, the strong lenses appear rounder within R200, but we find that their cores tend to be more elliptical as the lensing cross section increases. We also find that the cluster concentrations estimated from the projected density profiles tend to be biased high. The X-ray luminosity of strong lensing clusters is higher than that of normal lenses of similar mass and redshift. This is particular significant for the least massive lenses. Finally, we find that the strongest lenses generally exhibit an excess of kinetic energy within the virial radius, indicating that they are more dynamically active than usual clusters.

研究动机与目标

• 理解使星系团成为高效强引力透镜的内在属性。
• 识别影响观测到的强引力透镜星系团群体的选择偏差。
• 量化方向、动力学活动和X射线亮度与透镜截面之间的相关性。
• 评估这些偏差对宇宙学研究中推断的星系团集中度和质量的影响。
• 评估强引力透镜星系团是否代表了普通星系团群体，还是高度偏差的子集。

提出的方法

• 从MareNostrum宇宙N体/流体动力学模拟中提取了大量星系团样本。
• 对每个星系团执行光线追踪模拟，以计算其产生巨弧的强引力透镜截面。
• 分析了透镜截面与星系团属性（三维/二维形状、集中度、X射线亮度和动能）之间的相关性。
• 使用堆叠质量与红移分箱，将透镜星系团的属性与普通星系团群体进行比较。
• 通过测量星系团主轴与视线方向之间的对齐程度，量化方向偏差。
• 通过偏离Virial平衡的程度以及在Virial半径内的动能，评估动力学活动。

实验结果

研究问题

• RQ1 在深空哈勃观测中，产生可探测数量巨弧的最小星系团质量是多少？
• RQ2 强引力透镜星系团的三维形状与普通星系团群体相比如何？
• RQ3 星系团沿视线方向的取向在多大程度上影响其透镜截面？
• RQ4 在相同质量下，强引力透镜星系团与非透镜星系团的投影集中度和X射线亮度有何差异？
• RQ5 动力学活动与星系团强引力透镜效率之间存在何种关系？

主要发现

• 在深空哈勃观测中产生至少一个巨弧所需的最小星系团质量约为 2 × 10¹⁴ h⁻¹ M☉。
• 强引力透镜星系团在三维上并未表现出显著的三轴性过剩，但其主轴明显倾向于与视线方向对齐。
• 由于方向偏差，投影星系团形状在R₂₀₀范围内显得更圆，但高透镜截面星系团的中心质量分布更椭圆。
• 由于视线对齐和扁长三轴模型的影响，最高效透镜的投影集中度被系统性高估了最多两倍。
• 在固定质量下，强引力透镜星系团的X射线亮度高于普通星系团，尤其在低质量时更为明显，表明X射线亮度与透镜效率之间可能存在物理关联。
• 最强透镜表现出显著偏离Virial平衡，表明其动能更高、动力学活动更强烈，与正在进行的并合或次结构吸积一致。