星系强引力透镜对宇宙学参数及早型星系质量密度轮廓的约束

The galaxy-scale strong gravitational lensing is a kind of powerful cosmological probe. In this project, we will compile by far the largest galaxy strong lensing sample, wherein at least 55 new data have not yet been used in the cosmological analysis. Based on this new sample, we will apply the velocity dispersion of the lens galaxies as statistics to constrain the cosmological parameters and the density profile of the lens galaxies which are usually early-type galaxies. The previous studies indicate that using the velocity dispersion as statistics has a lot of merits, however, in this method the researchers need to supply assumptions on both the cosmological model and the lens galaxy mass distribution model. In the literature, there has not been a systematical study on the dependence of the computing results on the cosmological model and the lens galaxy mass distribution model. Given this, we will consider several representative cosmological models and lens galaxy mass distribution models, and then systematically study the dependence of the computing results on these models. In addition, we will use the Bayesian information criterion to make a comparison among the different combinations of the cosmological models and lens galaxy mass distribution models. The results of the project can serve as an important reference for future related studies to select the cosmological model and lens galaxy mass distribution model.

星系强引力透镜是一个强有力的宇宙学探针。本项目将汇编目前最大的星系强引力透镜样本，其中至少新增55个还不曾被用于宇宙学统计分析的数据。基于这个新样本我们将采用透镜星系的速度弥散作为统计量对宇宙学参数和透镜星系（通常是早型星系）的密度轮廓进行约束。前人工作证明采用星系的速度弥散作为统计量有诸多优势，但该方法需要对宇宙学模型和透镜星系的质量分布模型分别进行假设。目前尚缺乏工作来系统研究计算结果对宇宙学模型和透镜星系质量分布模型的依赖程度。鉴于此，我们将考虑几种具有代表性的宇宙学模型和透镜星系质量分布模型，然后系统考察选用这些模型分别对计算结果的影响程度。此外，我们将用贝叶斯信息判据对宇宙学模型和透镜星系质量分布模型的不同组合进行比较。本项目预期将对同类工作在选择宇宙学模型和透镜星系质量分布模型方面提供重要参考。

我们经过充分的调研发现在已有的文献中，研究者们在利用星系尺度强引力透镜速度弥散作为统计量进行宇宙学应用的过程中主要存在两方面的问题。一方面，有些研究工作为透镜星系假设了球对称的质量分布模型，但是所选取的样本中却包含了旋涡星系，这显然是不合理的；另一方面，有些研究工作已经发现了强透镜星系的速度弥散样本对宇宙学参数的估计（尤其是对物质密度参数的估计）是明显有偏的（或与标准宇宙学探针的估计值不一致），但却未能找到合理的解释。鉴于以上原因，本项目主要从两方面着手进行了深入地研究和探讨。首先，在样本的选择和构建方面，为了满足球对称质量模型这一假设，我们的判据包含了两个主要条件，即透镜星系必须是E/S0型早型星系，以及透镜星系不能有明显的子结构或邻近的伴星系；基于以上判据我们构建出了包含161个透镜系统的新样本。其次，在透镜星系质量分布模型的构建和选取方面，为了找出造成宇宙学参数估计值有偏的因素，我们通过大量的调研和分析，首先猜测出若干种可能的因素，随后对这些因素一一进行核验。最终，我们发现在该方法中为了得到无偏的估计以下三个因素都必须同时考虑进来：i）总物质质量密度分布的坡度（slope）因子γ与红移的依赖关系；ii）γ与面质量密度的依赖关系；iii）不同透镜星系光度密度分布的坡度因子δ之间存在的内在弥散，也就是说，不能假设样本中δ是全局变量。本项目的研究成果充分说明透镜模型优化和样本选择方法优化是提高强引力透镜宇宙学应用准确度和精确度的两个不可或缺的方面。今后的相关研究必须从这两方面同时着手进行深入探讨，以便为有效使用将来的大样本做好准备。