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Strong Gravitational Lensing Strong Gravitational Lensing Overview, Status and Opportunities Overview, Status and Opportunities Antonio C. C. Guimarães Antonio C. C. Guimarães IAG IAG - - USP USP Campos do Jordão, March/2010

Campos do Jordão, March/2010novafis/work9/apresentacoes/AntonioGuimar… · Roteiro da apresentação-fundamentos de lentes fortes-observações: passado, presente e futuro-fenomenologia

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Strong Gravitational LensingStrong Gravitational Lensing

Overview, Status and OpportunitiesOverview, Status and Opportunities

Antonio C. C. GuimarãesAntonio C. C. Guimarães

IAGIAG--USPUSP

Campos do Jordão, March/2010

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Roteiro da apresentação

- fundamentos de lentes fortes

- observações: passado, presente e futuro

- fenomenologia e ciência com lentes fortes

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“Do not Bodies act upon Light

at a distance, and by their

action bend its Rays; and is not

this action strongest at the least

distance?”

Sir Isaac Newton, Opticks, 1704

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1916: General Theory of Relativity, Einstein derives the correct deflection angle:

SOBRAL = 1,98" PRÍNCIPE = 1,60"

1919: Arthur Eddington and his group confirms the GR prediction for the light deflection by the Sun.

light deflection by a point mass

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sourcegravitational lens

Mollerach & Roulet 2002

galsaxy, galaxy group,galaxy cluster

quasar,galaxy,

supernova

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Lens Equation

true position = apparent position − deflection

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Einstein Ring

poin

t mas

s

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1987: The First Einstein RingMG1131+0456: VLA, quasar radio emission lensed by a galaxy

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1979: The First Gravitational Lens0957+561A,B: D. Walsh, R. F. Carswell & R. J. Weymann

E.E. Falco et al. (CASTLE collaboration) and NASA

Multiple Images

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image

source real position

Circular Lens

Mollerach & Roulet 2002

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image source real position

Non-Circular Lens (elliptical)

Bartelmann

critical lines & caustics

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1985: Q2237+0305, Einstein Cross, Huchra et al.

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Abell 2218 , HST

Giant Arcs

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Marshall 2009

~ 200 galaxy-scale lenses

Strong Gravitational Lensing Observational Status

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http://www.cfa.harvard.edu/castles/

CASTLES Survey (~ 100 lenses)(CfA-Arizona Space Telescope LEns Survey of gravitational lenses)

Complete survey of all them known galaxy-mass gravitational lens systems (those with image separations of less than 10 arcseconds)

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Kochanek 2004

image separation

reds

hift

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SLACS

- Einstein radii determined from HST images

- velocity dispersion and redshifts (source and lens) measured by SDSS

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Treu 2009

Current and Future Surveys

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Science with Strong Lenses

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Lens (galaxy, group, cluster) Modeling

• the image positions and relative fluxes can be used to constrain

- mass- profile- shape- substructure

Comerford et al. 2006

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Stellar Dynamics and Lensing

spherical Jeans equation2

2

4l s

L E

ls

D DcM

G Dθ=

density profile slope

γρ rr ∝)(

Guimarães & Sodré 2009

58 strong lensing events from SLACSSloan velocity dispersions

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Time Delay

B1608+656 (Fassnacht et al. 2002)

time (days)

time delays and magnifications adjusted image fluxes

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Oguri et al. 2007

light travel time for each image relative to a fiducial unperturbed ray

time delay between two images, assuming a lens model (SIS),

The time scales as

because of the scalings of the distances

Time Delay

method advantages:- measures expansion rate directly at high redshifts (negligeble peculiar velocities)- does not depend on distance ladders nor standard candledisadvantage: needs lens model

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Statistical Lensing

Observables:- lens number (relates to cosmological volume and structure formation)

- image separation distribution (relates to halo mass function)

Defining quantities:

- lens cross section

- optical depth (probability that a source bean hits a lens)

2)( radiusEinsteinπσ =

comoving density of lenses lens density parameterlens density parametercomoving density of lenses lens density parameter cosmological dependence

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Oguri 2006 Mitchell et al. 2004

Distribution of lens image separations

predicted (using halo model) measured (12 CLASS lenses)

→ maps halo mass function

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Cosmography

Likelihood functions for the cosmological model using the velocity function of galaxies measured from the SDSS survey and a sample of 12 CLASS lenses. The contours show the 68, 90, 95 and 99%confidence intervals on the cosmological model. In the shaded regions the cosmological distances either become imaginary or there is no big bang

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Optical Depth for a Chaplygin gas model

(pure cosmological constant behavior)

(pure matter behavior)

source redshift

op

tica

l d

epth

Guimarães & Lima

1

3.0

0 =Ω+Ω=Ω

Cm

m

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Other areas of application (non exhaustive)

- cluster lensing (giant arcs statistics, gravitational telescopes)

- supernovae lensing

- microlensing (planetary discovery, galactic substructure, MACHOS)

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