[论文解读] The Highest Resolution Mass Map of Galaxy Cluster Substructure To Date Without Assuming Light Traces Mass: LensPerfect Analysis of Abell 1689

Dan Coe, N. Benı́tez+3 more|arXiv (Cornell University)|May 3, 2010

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena被引用 55

一句话总结

本研究首次实现了对星系团阿贝尔1689的最高分辨率质量图，分辨率约为25 kpc，且未假设光迹追踪质量。研究采用LensPerfect强引力透镜模型，精确复现了168个多重像位置。该模型揭示了约10个独立星系亚结构，并发现高集中度（c₂₀₀ = 9.2 ± 1.2），该结果与单一NFW或Sérsic轮廓同时拟合强弱引力透镜数据一致。

ABSTRACT

We present a strong lensing mass model of Abell 1689 which resolves substructures ~25 kpc across (including about ten individual galaxy subhalos) within the central ~400 kpc diameter. We achieve this resolution by perfectly reproducing the observed (strongly lensed) input positions of 168 multiple images of 55 knots residing within 135 images of 42 galaxies. Our model makes no assumptions about light tracing mass, yet we reproduce the brightest visible structures with some slight deviations. A1689 remains one of the strongest known lenses on the sky, with an Einstein radius of RE = 47.0" +/- 1.2" (143 +3/-4 kpc) for a lensed source at zs = 2. We find a single NFW or Sersic prole yields a good fit simultaneously (with only slight tension) to both our strong lensing (SL) mass model and published weak lensing (WL) measurements at larger radius (out to the virial radius). According to this NFW fit, A1689 has a mass of Mvir = 2.0 +0.5/-0.3 x 10^15 Msun / h70 (M200 = 1.8 +0.4/-0.3 x 10^15 Msun / h70) within the virial radius rvir = 3.0 +/- 0.2 Mpc / h70 (r200 = 2.4 +0.1/-0.2 Mpc / h70), and a central concentration cvir = 11.5 +1.5/-1.4 (c200 = 9.2 +/- 1.2). Our SL model prefers slightly higher concentrations than previous SL models, bringing our SL+WL constraints in line with other recent derivations. Our results support those of previous studies which find A1689 has either an anomalously large concentration or significant extra mass along the line of sight (perhaps in part due to triaxiality). If clusters are generally found to have higher concentrations than realized in simulations, this could indicate they formed earlier, perhaps as a result of early dark energy.

研究动机与目标

• 生成迄今分辨率最高的星系团质量图，且不假设光迹追踪质量。
• 利用强引力透镜技术，将阿贝尔1689的亚结构分辨率提升至约25 kpc尺度。
• 检验单一NFW或Sérsic质量轮廓是否能同时与强引力透镜数据（168个多重像）和已发表的弱引力透镜测量结果保持一致。
• 探究阿贝尔1689的高集中度是否与宇宙学模拟一致，或是否暗示早期暗能量或视线方向结构的影响。
• 通过提供高保真度、非光迹追踪质量（non-LTM）的质量模型，为未来探测暗亚结构和研究星系晕剥离提供支持。

提出的方法

• 构建了一个LensPerfect强引力透镜模型，精确复现了来自42个星系的168个多重像位置，其中55个光斑在135个像中被识别。
• 该模型未对光迹追踪质量作任何假设（非LTM），从而可独立从像位置恢复质量分布。
• 质量模型包含一个灵活的主晕和单个星系组分，通过调整参数使预测像位置与观测像位置之间的残差最小化。
• 通过测试模型复现已知质量分布的人工数据集的能力，对模型进行验证。
• 整合哈勃空间望远镜（ACS）、昴星团望远镜（Subaru）和加拿大-法国-夏威夷望远镜（CFHT）的弱引力透镜数据，并与强引力透镜模型进行比较，以评估整体一致性。
• 使用NFW和Sérsic轮廓对强弱引力透镜数据进行联合拟合，以约束星系团质量、集中度和有效半径。

实验结果

研究问题

• RQ1 强引力透镜质量模型是否能在不假设光迹追踪质量的前提下，将阿贝尔1689的亚结构分辨率提升至约25 kpc？
• RQ2 单一NFW或Sérsic轮廓能否同时拟合强引力透镜数据（168个多重像）和弱引力透镜测量结果（延伸至爱丁顿半径）？
• RQ3 为何强引力透镜模型所优选的集中度（c₂₀₀ = 9.2 ± 1.2）远高于冷暗物质（CDM）模拟中类似质量星系团的预期值（c₂₀₀ ~ 3）？
• RQ4 视线方向结构或非球对称性对阿贝尔1689质量集中度的推断有何影响？
• RQ5 该高分辨率、非LTM模型能否探测到暗亚结构，或为星系团环境中星系晕剥离提供证据？

主要发现

• 该模型在阿贝尔1689中心400 kpc直径区域内，实现了约25 kpc尺度的亚结构解析，是迄今在不假设光迹追踪质量的前提下，分辨率最高的星系团质量图。
• 该模型精确复现了55个光斑在42个星系的135个像中观测到的168个多重像位置，包括20个新发现的8个星系的候选多重像。
• 单一NFW或Sérsic轮廓能较好地同时拟合强引力透镜数据和已发表的弱引力透镜测量结果，尽管存在轻微张力，表明弱引力透镜倾向于更高集中度。
• 星系团的爱丁顿质量为 M_vir = 2.0⁺⁰.⁵₋₀.³ × 10¹⁵ M⊙ h₇₀⁻¹，位于 r_vir = 3.0 ± 0.2 Mpc h₇₀⁻¹ 范围内，集中度 c_vir = 11.5⁺¹.⁵₋₁.⁴。
• 最佳拟合NFW集中度 c₂₀₀ = 9.2 ± 1.2 显著高于类似质量星系团在CDM模拟中的典型值（~3），提示可能存在早期暗能量或视线方向效应。
• 模型显示，最明亮星系的质量分布与光分布基本吻合，但存在可测量的偏差，可能反映质量分离或光中不可见的亚结构。