[論文レビュー] A targeted search for strongly lensed supernovae with the Las Cumbres Observatory

Peter Craig, Kyle O’Connor+5 more|arXiv (Cornell University)|Nov 2, 2021

Gamma-ray bursts and supernovae被引用数 6

ひとこと要約

本研究では、ラス・クンブラス天文台（LCOS）を用いて、強いレンズ効果を受ける超新星（glSNe）の標的的探索を実施し、星形成率が高めの112の銀河-銀河レンズ系を分析した。2年間にわたり検出がなかったが、モンテカルロシミュレーションでは1年あたり0.20個のglSNeが予想され、95%信頼区間は[0, 2.1]である。これは、検出のための調査の深さや観測間隔が、より深い画像やより長い観測期間がなければ不十分であることを示唆している。また、ルービン宇宙望遠鏡の将来の収穫量は、類似した観測間隔で年間0.63個と予測されている。

ABSTRACT

Gravitationally lensed supernovae (glSNe) are of interest for time delay cosmology and SN physics. However, glSNe detections are rare, owing to the intrinsic rarity of SN explosions, the necessity of alignment with a foreground lens, and the relatively short window of detectability. We present the Las Cumbres Observatory Lensed Supernova Search, LCOLSS, a targeted survey designed for detecting glSNe in known strong lensing systems. Using cadenced r'-band imaging, LCOLSS targeted 114 galaxy-galaxy lensing systems with high expected SN rates, based on estimated star formation rates. No plausible glSN was detected by LCOLSS during our two year observing program. We carry out an analysis here to measure a detection efficiency for these observations. We then perform Monte Carlo simulations using the predicted supernova rates to determine the expected number of glSN detections. The results of the simulation suggest an expected number of detections and $68\%$ Poisson confidence intervals, $N_{SN} = 0.20, [0,2.1] $, $N_{Ia} = 0.08, [0,2.0]$, $N_{CC} = 0.12, [0,2.0]$, for all SNe, Type Ia SNe, and core-collapse (CC) SNe respectively. These results are broadly consistent with the absence of a detection in our survey. Analysis of the survey strategy can provide insights for future efforts to develop targeted glSN discovery programs, especially considering the large anticipated yields of upcoming surveys.

研究の動機と目的

• 既知の強いレンズ効果を受ける銀河系において、標的的調査手法を用いて強いかがんされた超新星（glSNe）を検出すること。
• 星形成率が高く、赤方偏移が低い（z < 1）銀河-銀河レンズ系において、glSNeを検出する可能性を評価すること。
• 超新星発生率と調査パラメータに基づいたモンテカルロシミュレーションを用いて、検出効率と予想される検出頻度を定量化すること。
• 特に、ルービン宇宙望遠鏡のような将来的な調査について、類似した標的的戦略を用いた場合の検出頻度を予測すること。
• 観測間隔、深さ、検出数のトレードオフを評価することで、将来の標的的glSNe発見プログラムを支援すること。

提案手法

• ラス・クンブラス天文台ネットワークを用いて、2年間の標的的調査（LCOLSS）を実施し、r′-バンドの連続露光画像を取得した。
• 星形成率とエインシュタイン半径の推定値に基づき、超新星発生率が予想される112の銀河-銀河レンズ系を選定した。
• 画像差分法と差分画像処理を用いて一時的光源を検出し、候補特定にはS/N > 3の閾値を適用した。
• 露出時間計算機と、SDSSに校正済みの式1に基づくデータ駆動型手法を用いて、検出効率を補正した。
• 超新星発生率、時間遅れ、調査の観測間隔を考慮したモンテカルロシミュレーションを実行し、予想されるglSNeの検出数を推定した。
• 単一露出の深さが24.7等、観測間隔が2週間の条件で、シミュレートされた調査性能に基づき、ルービン宇宙望遠鏡の検出頻度を予測した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 112の既知の強いレンズ効果を受ける銀河系で、星形成率が高い標的的調査を実施した場合、強いかがんされた超新星の予想検出頻度はどの程度か？
• RQ2 LCOLSS調査で検出がなかったにもかかわらず、調査の深さと観測間隔が標的的glSNe調査の検出効率にどのように影響するか？
• RQ3 類似した標的的戦略を用いた場合、ルービン宇宙望遠鏡が1年間の基準期間で予想されるglSNeの収穫量はどの程度か？
• RQ4 ZTFのような高頻度の一時的天体調査と比較して、予測された検出頻度と実際の検出頻度の違いは何か、その理由は何か？
• RQ5 ピーク光度に到達する前に検出がなされたと仮定した場合、平均36日間の時間遅れを持つglSNeに対して、どの程度の時間遅れの精度が達成可能か？

主な発見

• LCOLSS調査では、2年間の観測期間中に強いかがんされた超新星を1例も検出しなかったが、これは低予想検出頻度と整合的である。
• モンテカルロシミュレーションでは、全超新星タイプの1年あたりの予想検出数が0.20個であり、95%ポisson信頼区間は[0, 2.1]である。
• 予想される検出頻度は、タイプIa超新星が年間0.08個（[0, 2.0]）、核崩壊型超新星が年間0.12個（[0, 2.0]）である。
• 1か月間隔の調査では、元の2週間隔調査と同等のglSNe収穫量を得るには、0.4等星等がより深い限界マグニチュードが必要となる。
• ルービン宇宙望遠鏡では、単一露出の深さが24.7等の条件で、年間0.63 ± 0.38個の超新星が検出されると予測されており、そのうち核崩壊型が0.47 ± 0.28個、タイプIaが0.16 ± 0.10個である。
• サンプルの平均時間遅れは36日であり、時間遅れの精度はタイプIa超新星で5%、核崩壊型で7%と推定され、検出がなされた場合、H₀の制約が同等の不確実性で可能となる。