作为强引力透镜(Lenses)的类星体

(今天给大家介绍一篇很好玩的发现型文章,标题我起的很不好,因为对引力透镜研究不是很熟悉,也不知道,Lenses(作为透镜存在的天体)和Lensed(被引力透镜放大的源)的准确中文翻译是什么,本文指的其实就是和一般观测到的强引力透镜不同,新发现的这三个系统里面,类星体是作为”透镜”而存在的)

(啊,拖了好几天的稿子了,前天终于把在Carnegie Science Day上的报告搞定了,昨天好好的放松一下了,由于报告中很多的都是未发表的工作,可能不太好详细的介绍给大家,不过过后争取写写感受之类的吧,明天要出去好好的放松一下,所以周末福利可能要偷懒一下,不过说好的万圣节福利一定要有的)

文章:Three QSOs acting as strong gravitational lenses

  • 作者:F. Courbin, C. Faure, S. G. Djorgovski, F. Rerat, M. Tewes, G. Meylan, D. Stern, A. Mahabal, T. Boroson, R. Dheeraj, D. Sluse
  • 论文索引:astro-ph/1110.5514
  • 编辑整理:南京大学 黄崧

文章背景:

截止到目前为止,已经有至少250个强引力透镜源被HST观测到,这些被前景星系放大了的背景星系或者类星体已经成为了天体物理研究中的一个强有力的工具探索一系列的相关课题,比如利用这些星系来研究前景透镜的完整质量分布轮廓和动力学性质,尤其是可能对暗物质晕的质量分布给出限制,还有可能给出前景透镜的晕中的亚结构;更诱惑的是,如果被放大的天体是一个具有光变的天体,比如类星体,就可以利用光变的时间延迟来估计Hubble常数,这样的测量方式是独立于任何“标准烛光”的定标过程的。不过除了这些被普通星系充当透镜的一般情况,近来的观测揭示出了一类更稀有,也更好玩的透镜天体,即前景的QSO作为透镜存在,放大背后的星系,严格的来说这和上面的一般情况没有任何差别,因为QSO无非就是宿主星系中心有超大质量黑洞在活跃吸积的情况,其实也是星系产生的强引力透镜,只不过在QSO的背景下,这些天体可以用来研究QSO宿主星系的总质量和其他一些性质,比如关于中心黑洞质量和宿主星系整体的演化关系这样一些一直受人关注的话题;但不管怎样,这是一个很好玩的观测结果,值得推荐给大家读读。


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图一:SDSS中挑选出的QSO-galaxy透镜之一:SDSS J0827+5224的SDSS光学光谱,可以注意到两套来自于不同红移的发射线。

主要工作:

想在样本数量极大的巡天中搜索强引力透镜绝非是容易的事情,对于寻找星系团环境下的强引力透镜产生的明显透镜弧还可以通过人肉检查大量的图像来实现,对于这类Galaxy-Galaxy, 或者QSO-Galaxy透镜,很难从简单的图像检查上得到明确的结果,本文的工作也是参考了另一个透镜巡天项目SLACS使用的方法,即利用SDSS光谱,寻找属于不同红移的两套发射线系统,这样的情况下,很可能是较低红移的发射线来自透镜天体,较高红移的发射线来自被透镜放大的天体,这样的光谱检查方法其实还是很有效率的;只不过,这里的区别是SLACS利用大质量的早型星系作为潜在的候选样本,而本文的工作则使用了QSO作为候选样本,在挑选难度上要更高一些。


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图二:Keck/LRIS对上面的透镜候选的观测,进一步确认了这写发射线的性质。

本文的工作利用了SDSS中红移小于0.7的22,298个QSO,因为SDSS确定QSO红移的方法不是简单的某几条谱线的估计,而是来自于模版光谱的拟合,所以可以利用QSO的系统红移,在光谱中寻找比系统红移高的发射线;SDSS采用的是孔径光谱观测的方法,光纤光谱来自于3角秒的范围,对于本文选择的这些类星体,这3角秒的角直径对应的物理空间尺度已经大于了系统的Einstein半径,在寻找透镜上应该还是很有效率的;本文的工作主要是用来证明这样的方法可以寻找到这些天体,所以在样本的各种性质上都没有做特别的考虑,只是找了几个最为明显的例子展示给大家。


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图三:Keck/LRIS对红移z~0.3处的SDSS J0827+5224的R和B波段的图像观测,图中也标出了光谱观测的狭缝范围。

在得到了这写候选之后,还需要进一步做后续观测得到进一步的确认和性质上的研究,对于这样的透镜天体,后续的确认要从两个角度进行,首先是比SDSS更好的光谱观测,并利用QSO和星系光谱模版的主成分分析的方法来得到更明确的光谱区分,然后是来自更高分辨率的图像观测,争取把透镜像和透镜天体能够分辨出来;后续的光谱和成像观测首先利用了Keck望远镜上的LRIS进行,很有意思的是,虽然Keck的光谱质量更好的分离出了不同的红移处的系统的发射线,而且仅仅是简单的比较SDSS和Keck的图像,就可以得到存在强引力透镜的证据,只不过从图像的角度,最明确的证据还是要靠HST的高分辨观测,利用HST上的最新的成像神器WFC3的UVIS照相机的V和R波段的图像,和简单的前景QSO的图像模型拟合,强引力透镜存在的证据就可以被很好的揭示出来了。而且,利用这些质量很好的图像,可以通过Singular Isothermal Sphere (SIS)透镜模型得到透镜质量的估计,不过这个目前还不是本文作者工作的重点。但在将来,这样的透镜质量分布的估计是及其重要的,这也是为什么天文学家要费劲寻找这些稀少的天体,因为QSO作为中心大质量黑洞快速吸积成长的天体,对于研究星系和黑洞演化的关系是非常重要的,而且在这项研究中,及其重要的证据来自于所谓的黑洞质量和星系中的核球或者椭球成分的质量,动力学之间的关系,所以准确的区分星系或者说QSO Host星系中的不同成分是很重要的,但是对于QSO,由于异常明亮的中心电源的存在,任何传统的图像处理方法都不能保证得到可靠的结果,而依赖于这些稀少的透镜天体,准确的质量分布可以得到,QSO Host星系中和黑洞成长关系最紧密的部分的性质也可以被更加仔细的研究。


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图四:HST/WFC3对几个透镜候选的成像观测,强引力透镜的本质被揭示的非常清楚

延伸阅读:

  • 1. 另一个非常漂亮的强引力透镜巡天:SLACS
  • 2. The Cosmic Lens All-Sky Survey (CLASS)
  • 3. CFHTLS STRONG LENSING LEGACY SURVEY
  • 4. The Lenses Structure and Dynamics (LSD) Survey
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