[论文解读] The strongest gravitational lenses: I. The statistical impact of cluster mergers

Matthias Redlich, Matthias Bartelmann+2 more|May 31, 2012

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena参考文献 53被引用 31

一句话总结

本研究采用半解析建模方法，评估了星系团并合对强引力透镜效应的统计增强作用，发现并合使大于10''和20''的爱因斯坦半径数量分别增加35%和55%，并使巨弧的光学深度提高45%和85%。结果表明，并合显著增强了最强星系团的透镜效率，意味着在基于极端透镜观测的宇宙学检验中必须考虑并合效应。

ABSTRACT

For more than a decade now, it has been controversial whether or not the high rate of giant gravitational arcs and the largest observed Einstein radii are consistent with the standard cosmological model. Recent studies indicate that mergers provide an efficient mechanism to substantially increase the strong-lensing efficiency of individual clusters. Based on purely semi-analytic methods, we investigated the statistical impact of cluster mergers on the distribution of the largest Einstein radii and the optical depth for giant gravitational arcs of selected cluster samples. Analysing representative all-sky realizations of clusters at redshifts z < 1 and assuming a constant source redshift of z_s = 2.0, we find that mergers increase the number of Einstein radii above 10 arcsec (20 arcsec) by ~ 35 % (~ 55 %). Exploiting the tight correlation between Einstein radii and lensing cross sections, we infer that the optical depth for giant gravitational arcs with a length-to-width ratio > 7.5 of those clusters with Einstein radii above 10 arcsec (20 arcsec) increases by ~ 45 % (85 %). Our findings suggest that cluster mergers significantly influence in particular the statistical lensing properties of the strongest gravitational lenses. We conclude that semi-analytic studies must inevitably take these events into account before questioning the standard cosmological model on the basis of the largest observed Einstein radii and the statistics of giant gravitational arcs.

研究动机与目标

• 研究星系团并合对星系团中最大爱因斯坦半径分布及巨弧光学深度的统计影响。
• 解决观测到的强透镜特性与标准宇宙学模型（ΛCDM）预测之间长期存在的矛盾。
• 开发并应用一种新的半解析方法，将并合动力学纳入统计透镜研究，克服小样本模拟带来的局限性。
• 评估并合是否能在不挑战ΛCDM的前提下解释观测到的巨弧过剩及异常大的爱因斯坦半径。
• 通过随机采样并合方向，提供对并合效应的保守估计，避免因理想化对齐假设导致的高估。

提出的方法

• 本研究采用三轴引力透镜的半解析模型，使用解析表达式计算偏转角，避免计算量巨大的数值积分。
• 将星系团建模为具有真实浓度-质量关系和可变轴比的三轴暗物质晕，优于以往的球对称或固定椭球率近似。
• 通过随机采样并合子结构相对于主晕的相对方位和接近方向来模拟并合过程，避免了理想化假设中必须与主晕主轴完全对齐的限制。
• 采用三种不同的算法计算巨弧的透镜截面，通过调整确保强透镜效率估计的一致性与可靠性。
• 通过在z < 1的全天空大样本中比较孤立星系团与正在经历并合的星系团的透镜特性（爱因斯坦半径和光学深度），量化其统计影响。
• 分析假设源红移固定为z_s = 2.0，并利用爱因斯坦半径与透镜截面之间的紧密相关性，推断光学深度的增强。

实验结果

研究问题

• RQ1 在ΛCDM框架下，并合使大于10''和20''的爱因斯坦半径数量增加多少？
• RQ2 并合如何影响最强透镜中长度与宽度比≥7.5的巨弧光学深度？
• RQ3 当并合效应被合理考虑时，观测到的最大爱因斯坦半径和高丰度弧形是否与ΛCDM一致？
• RQ4 与孤立系统相比，并合期间星系团的统计透镜效率如何变化？
• RQ5 与理想化对齐构型相比，随机采样并合方向是否导致对并合增益的保守估计？

主要发现

• 与孤立星系团相比，并合使大于10''的爱因斯坦半径数量增加约35%，大于20''的增加约55%。
• 对于爱因斯坦半径大于10''的星系团，长度与宽度比≥7.5的巨弧光学深度增加约45%；对于大于20''的星系团，增加约85%。
• 本研究证实，并合显著增强了最强引力透镜的强透镜效率，尤其在分布的极端尾部表现明显。
• 结果表明，在基于极端透镜观测拒绝标准宇宙学模型之前，半解析研究必须纳入并合效应。
• 对并合方向的保守采样表明，实际的并合增益可能高于估计值，因为理想化对齐并合会产生更强的增强效果。
• 研究结果与以往的数值研究一致，但通过克服模拟样本量的局限性，提供了更具统计稳健性的估计。