[论文解读] Where is the matter in the Merging Cluster Abell 2218?

Á. Elíasdóttir, Marceau Limousin+7 more|arXiv (Cornell University)|Oct 30, 2007

Astronomy and Astrophysical Research被引用 71

一句话总结

本研究利用哈勃望远镜、钱德拉X射线天文台及地面望远镜的数据，采用Lenstool软件中的贝叶斯马尔可夫链蒙特卡洛方法，构建了合并星系团阿贝尔2218的参数化强引力透镜模型，以约束质量分布。主要发现为：该星系团的质量主要由两个大尺度暗物质晕主导（在100弧秒处占85%），仅9%来自中心最亮的星系团星系；且只有当亚结构局部扰动像时，才能被探测到。

ABSTRACT

We present a parametric strong lensing model of the cluster Abell 2218 based on HST ACS data. We constrain the lens model using 8 previously known multiply imaged systems, of which 7 have spectroscopically confirmed redshifts. In addition, we propose five candidate multiply imaged systems and estimate their redshifts using our mass model. The model parameters are optimized in the source plane by a bayesian Monte Carlo Markov Chain as implemented in the the publicly available software Lenstool. We find rms=0."12 for the scatter of the sources in the source plane, which translates into rms=1."49 between the predicted and measured image positions in the image plane. We find that the projected mass distribution of Abell 2218 is bimodal, which is supported by an analysis of the light distribution. We also find evidence for two structures in velocity space, separated by ~1000 km/s, corresponding to the two large scale dark matter clumps. We find that the lensing constraints can not be well reproduced using only dark matter halos associated with the cluster galaxies, but that the dark matter is required to be smoothly distributed in large scale halos. At 100" the enclosed projected mass is 3.8e14 solar masses. At that radius, the large scale halos contribute ~85% of the mass. We find that the model is not very sensitive to the fainter galaxy sized halos, unless they locally perturb a given multiply imaged system. Therefore, dark galaxy sized substructure can be reliably constrained only if it locally perturbs one of the systems. In an appendix we give a self-contained description of the parametric profile we use, the dual pseudo isothermal elliptical mass distribution (dPIE). This profile is a two component pseudo isothermal mass distribution (PIEMD) with both a core radii and a scale radii. (Abridged)

研究动机与目标

• 利用多波段观测，构建阿贝尔2218的高精度参数化强引力透镜模型。
• 确定星系团中暗物质的分布，尤其在合并动力学背景下。
• 评估单个星系和大尺度晕对总质量预算的贡献。
• 评估通过透镜扰动探测低质量暗物质亚结构的可探测性。
• 校准dPIE模型中的基准速度 dispersion 与可观测投影速度 dispersion 之间的关系。

提出的方法

• 利用哈勃望远镜ACS成像和8个多重像系统光谱红移数据，构建参数化强引力透镜模型，另提出5个候选系统。
• 模型采用双伪等温椭球质量分布（dPIE）轮廓，为每个组分包含核心半径和标度半径。
• 通过公开可用的Lenstool软件，采用贝叶斯马尔可夫链蒙特卡洛（MCMC）方法优化模型参数。
• 通过最小化源平面上的残差来验证透镜模型，源平面上的均方根散差为0.12角秒，像平面上为1.49角秒。
• dPIE轮廓包含8个参数：红移、位置、椭圆率、方位角、核心半径、标度半径和基准速度 dispersion。
• 通过数值方法推导速度 dispersion 关系，并为与观测数据比较，定义标准速度 dispersion σₑ。

实验结果

研究问题

• RQ1 强引力透镜观测约束下，合并星系团阿贝尔2218的总质量空间分布如何？
• RQ2 在100弧秒处，大尺度暗物质晕与单个星系对总质量预算的贡献分别如何？
• RQ3 在何种条件下，可可靠探测到微弱的、星系尺度的暗物质亚结构？
• RQ4 dPIE模型中的基准速度 dispersion 与星系团星系可观测投影速度 dispersion 之间存在何种关系？
• RQ5 观测到的透镜特征在多大程度上要求存在除可见星系相关晕之外的平滑暗物质晕？

主要发现

• 阿贝尔2218的投影质量分布呈双峰特征，两个大尺度暗物质团块在速度空间中相距约1000 km s⁻¹。
• 在100弧秒（291 kpc）处，总投影质量为3.8 × 10¹⁴ M☉，其中85%来自大尺度晕，9%来自最亮星系团星系（BCG）。
• 其余6%的质量来自其他星系团星系，且该模型对更暗、质量更小的晕不敏感，除非它们局部扰动多重像系统。
• 模型仅能探测到局部扰动透镜像的大型星系和亚结构，表明只有当暗星系尺度亚结构引起可测量扰动时，才能被约束。
• 在可观测区域（R/Rₑ ≈ 0.01–2）内，平均视线速度 dispersion 约为基准σ_dPIE的0.85 ± 0.10倍，且对典型dPIE参数，σₑ/σ_dPIE ≈ 1.3 ± 0.2。
• dPIE轮廓能以高精度再现透镜数据，表现为源平面上残差散差极低（rms = 0.12 arcsec）。