[论文解读] The Mass Distribution of CL0939+4713 obtained from a `Weak' Lensing Analysis of a WFPC2 image

Carolin Seitz, Jean‐Paul Kneib+2 more|arXiv (Cornell University)|Jan 15, 1996

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena被引用 3

一句话总结

本文利用单张深空HST/WFPC2图像，对高红移星系团CL0939+4713进行了弱引力透镜分析，采用无偏见、无自由参数的方法重建其二维质量分布。结果表明，质量分布与明亮星系团星系的光分布高度一致，而较暗的背景星系则因放大效应偏差呈现反相关性，由此得出在观测区域内质量估计值为5–7 × 10¹⁴/h₅₀ M☉。

ABSTRACT

The image distortions of high-redshift galaxies caused by gravitational light deflection of foreground clusters of galaxies can be used to reconstruct the two-dimensional surface mass density of these clusters. We apply an unbiased parameter-free reconstruction technique to the cluster CL0939+4713 (Abell 851), observed with the WFPC2 on board of the HST. We demonstrate that a single deep WFPC2 observation can be used for cluster mass reconstruction despite its small field of view and the irregular shape of the data field (especially for distant clusters). For CL0939, we find a strong correlation between the reconstructed mass distribution and the bright cluster galaxies indicating that mass follows light on average. The detected anti-correlation between the faint galaxies and the reconstructed mass is most likely an effect of the magnification (anti) bias, which was detected previously in the cluster A1689. Because of the high redshift of CL0939 (z_d=0.41), the redshift distribution of the lensed, faint galaxies has to be accounted for in the reconstruction technique. We derive an approximate global transformation for the surface mass density which leaves the mean image ellipticities invariant, resulting in an uncertainty in the normalization of the mass. From the non-negativity of the surface mass density, we derive lower limits on the mass inside the observed field. We can break the invariance transformation for the mass using the magnification effect on the observed number density of the background galaxies. Assuming a mean redshift of 0.8 and a fraction of 15 % (20 %) of cluster galaxies in the observed galaxy sample with 23

研究动机与目标

• 利用弱引力透镜方法重建遥远星系团CL0939+4713的二维表面质量密度。
• 检验单张深空WFPC2图像——尽管视场较小且形状不规则——是否能对高红移星系团实现可靠的质量重建。
• 研究质量分布与明亮星系团星系及较暗背景星系之间的相关性，同时考虑红移分布的影响。
• 利用背景星系数密度的放大效应打破质量归一化中的退化问题。
• 通过非负性约束和观测到的星系数目，推导星系团质量的下限并估算M/L比值。

提出的方法

• 将无偏见、无自由参数的弱透镜重建技术应用于WFPC2图像中高红移背景星系的剪切测量结果。
• 采用保持图像平均椭圆率不变的变换方法，以处理质量归一化中的不确定性，确保物理一致性。
• 在透镜反演中引入被透镜星系的平均红移分布（z ≈ 0.8），以校正投影效应。
• 从表面质量密度的非负性约束推导质量的下限。
• 利用背景星系数密度的放大效应，打破质量重建中的归一化退化问题。
• 假设背景样本中（23 < R < 25.5）有15–20%的星系团星系污染，用于校准质量估计值。

实验结果

研究问题

• RQ1 单张视场有限的深空WFPC2图像是否足以实现对CL0939+4713这类高红移星系团的稳健二维质量重建？
• RQ2 重建的质量分布与明亮星系团星系的空间分布在多大程度上相关？
• RQ3 为何观测到的较暗背景星系与重建的质量图之间存在反相关性？这是否与放大效应偏差一致？
• RQ4 背景星系的红移分布在多大程度上影响遥远星系团弱透镜质量重建的准确性？
• RQ5 在观测区域内星系团总质量的最佳估计值是多少？其对应的M/L比值又是多少？

主要发现

• CL0939+4713的重建质量分布与明亮星系团星系的分布存在强烈的空间相关性，表明平均而言质量跟随光分布。
• 较暗背景星系与质量图之间的反相关性可归因于放大效应偏差，与先前在星系团A1689中的发现一致。
• 在假设星系团星系污染占15%的情况下，观测区域内质量估计约为5 × 10¹⁴/h₅₀ M☉，当污染比例上升至20%时，质量估计值增至7 × 10¹⁴/h₅₀ M☉。
• 在15%污染比例下，推导出的M/L比值约为100 h₅₀；在20%污染比例下约为140 h₅₀，表明质量与光比值较高，与暗物质主导的星系团一致。
• 表面质量密度的非负性约束为总质量提供了稳健的下限，且不依赖于归一化假设。
• 利用背景星系数密度的放大效应成功打破了质量归一化中的退化问题，使得能够实现定量质量估计。