Line-of-sight shear in SLACS strong lenses I: shear and mass model parametrisations

Résumé technique : Cisaillement de la ligne de visée dans les lentilles fortes de SLACS I : Cisaillement et paramétrisations du modèle de masse

Énoncé du problème
Le lentillage gravitationnel fort se produit dans un Univers inhomogène, où la matière le long de la ligne de visée (LOS, line-of-sight) déforme les images lentillées via un cisaillement. Bien que traditionnellement traité comme un paramètre de nuisance, le cisaillement mesurable de la LOS offre une sonde potentielle indépendante des paramètres cosmologiques, complémentaire au cisaillement faible. Cependant, la mesure de ce cisaillement est compliquée par les dégénérescences entre le cisaillement et l'ellipticité intrinsèque de la masse de la lentille. Les tentatives précédentes pour mesurer le cisaillement à l'aide de lentilles fortes (par exemple, Birrer et al. 2017) ont révélé de fortes dégénérescences entre les paramètres de cisaillement et l'ellipticité de la masse de la lentille, rendant les inférences cosmologiques peu fiables. De plus, des études récentes (Etherington et al. 2024) ont montré que les magnitudes de cisaillement externe mesurées dans les lentilles fortes sont suspectement élevées par rapport aux attentes du lentillage faible, suggérant une complexité non modélisée de la masse de la lentille (telle que des multipôles d'ordre supérieur) ou des erreurs systématiques dans la paramétration du cisaillement.

Méthodologie
Les auteurs modélisent 23 lentilles gravitationnelles fortes issues du catalogue Sloan Lens ACS (SLACS) en utilisant le pipeline de modélisation automatisé dolphin, qui utilise lenstronomy comme moteur. La méthodologie comprend :

1. Modélisation de la lentille et de la source :

   • Masse : Le déflecteur principal est modélisé à l'aide d'un profil de loi de puissance elliptique (EPL).
   • Lumière de la lentille : Modélisée avec deux profils de Sersic (indices $n_S=1$ et $n_S=4$) pour rendre compte respectivement des composantes exponentielles et de de Vaucouleurs.
   • Lumière de la source : Modélisée à l'aide d'une combinaison d'un profil de Sersic elliptique et de shapelets gausiens (polynômes de Hermite) pour reconstruire des morphologies de sources complexes.
   • Rayon d'Einstein : Fixé aux valeurs rapportées par Shajib et al. (2021) pour améliorer l'efficacité computationnelle.

2. Paramétrisations du cisaillement :

   • Modèle de cisaillement LOS minimal : Basé sur Fleury et al. (2021), ce modèle définit un « cisaillement de la ligne de visée » ($\gamma_{LOS}$) dérivé d'une transformation de position de la source. Il comprend cinq paramètres : le cisaillement de premier plan ($\gamma_{od}$), le cisaillement de la LOS ($\gamma_{LOS}$) et la rotation de la LOS ($\omega_{LOS}$). Ce formalisme est théoriquement exempt de dégénérescences avec l'ellipticité de la masse de la lentille.
   • Modèle sans cisaillement de premier plan : Une variante où le terme de cisaillement de premier plan ($\gamma_{od}$) est fixé à zéro, négligeant ainsi les corrections post-Born du potentiel du déflecteur principal.
   • Extension octupolaire : Pour tester si une complexité de masse non modélisée induit des valeurs de cisaillement élevées, les auteurs ré-ajustent les lentilles en ajoutant une distorsion octupolaire (multipôle $m=4$) au profil de masse EPL.

3. Inférence :

   • L'inférence des paramètres est réalisée par la méthode de Monte Carlo par chaînes de Markov (MCMC) avec le package emcee.
   • L'échantillon est comparé aux attentes dérivées de la suite de simulations N-corps relativistes RayGalGroup, qui fournissent des cartes de lentillage faible incluant les effets post-Born.

Principales contributions

• Première mesure du cisaillement de la LOS dans des données réelles : Ce travail présente la première mesure du cisaillement de la LOS ($\gamma_{LOS}$) dans un échantillon de 23 lentilles réelles utilisant le modèle minimal théoriquement sûr.
• Investigation systématique : L'article teste systématiquement deux sources potentielles de biais : (1) la négligence du cisaillement de premier plan (corrections post-Born) et (2) l'omission des distorsions de masse octopolaires.
• Validation du modèle minimal : L'étude confirme que le modèle de cisaillement minimal de la LOS produit des mesures cohérentes avec les études précédentes de « cisaillement externe », tout en fournissant un cadre théoriquement robuste pour l'inférence cosmologique.

Résultats

• Magnitude du cisaillement : À travers les 23 lentilles, la magnitude moyenne du cisaillement de la LOS est mesurée à $0,056 \pm 0,013$.
• Comparaison avec les simulations : Les valeurs de cisaillement mesurées sont généralement plus élevées que celles attendues par les simulations de lentillage faible. La tension avec les attentes des simulations atteint jusqu'à $7,9\sigma$ pour la lentille SDSSJ1531−0105. Sept lentilles présentent des tensions de $3\sigma$ ou plus.
• Impact de la négligence du cisaillement de premier plan : Négliger le terme de cisaillement de premier plan (en fixant $\gamma_{od}=0$) entraîne une propagation des dégénérescences. Bien que cela augmente artificiellement la précision de la récupération de l'ellipticité de la masse de la lentille, cela déplace les valeurs de cisaillement de la LOS inférées. Les auteurs concluent qu'il ne faut pas sacrifier la précision physique pour le gain marginal de vitesse lié à la suppression de ces paramètres.
• Impact des octupoles : L'ajout d'une octupole au modèle de masse ne réduit pas systématiquement la magnitude du cisaillement de la LOS inféré.
  • Dans 14 des 21 lentilles, la tension avec les simulations a changé de moins de $1,5\sigma$.
  • Dans la plupart des cas, le modèle octupolaire a soit augmenté la tension, soit n'a apporté aucune amélioration.
  • Seule une lentille (SDSSJ1531−0105) a montré un meilleur ajustement avec le modèle octupolaire et une réduction de la magnitude du cisaillement, mais il s'agit d'une exception plutôt que de la règle.
  • Les forces d'octupole récupérées étaient souvent supérieures aux contraintes observationnelles pour les galaxies de type précoce, suggérant que le multipôle $m=4$ seul ne capture pas toute la complexité des profils de masse.

Signification et affirmations
L'article affirme que le « modèle de cisaillement minimal de la LOS » est le cadre nécessaire pour tenter une inférence cosmologique à partir du cisaillement de lentillage fort, car il évite les dégénérescences qui ont entaché les approches précédentes. Cependant, les auteurs restent modestes quant à l'utilité cosmologique immédiate de leurs résultats. Ils soulignent que :

1. Les grandes valeurs de cisaillement mesurées ne sont pas universellement expliquées par des octupoles non modélisées dans la masse de la lentille.
2. L'accord entre leurs conclusions et les études de « cisaillement externe » précédentes suggère que les modèles de lentilles actuels capturent adéquatement la contribution du cisaillement de la LOS, mais la divergence avec les attentes du lentillage faible reste non résolue.
3. Les progrès futurs nécessiteront non seulement de meilleures techniques de modélisation (par exemple, prendre en compte les multipôles d'ordre supérieur, les gradients ou la flexion), mais aussi des données de meilleure qualité (par exemple, du JWST) pour mieux séparer la lumière de la lentille et de la source.
4. Actuellement, la modélisation uniforme de vastes catalogues de lentilles fortes pour obtenir des mesures de cisaillement précures pour la cosmologie n'est pas réalisable avec les données et techniques existantes ; l'effort principal doit se concentrer sur l'affinement de la complexité physique des modèles de masse des déflecteurs principaux.