[論文レビュー] Detecting Ancient Supernovae at z ~ 5 - 12 with CLASH

Daniel J. Whalen, Joseph Smidt+4 more|arXiv (Cornell University)|Dec 22, 2013

Gamma-ray bursts and supernovae参考文献 5被引用数 9

ひとこと要約

本論文は、CLASH調査における強い重力レンズ効果を用いて、現在のハッブル宇宙望遠鏡のデータで赤方偏移 z ~ 5–12 の範囲に存在する 2–3 つのコアコラプス超新星を検出可能であると提案している。星形成率に応じて最大で 10 件の検出が可能である。将来的にはジェームズ・ウェッブ宇宙望遠鏡の調査により、赤方偏移 z ~ 15–17 の範囲で数百ものこのような古代の超新星が発見可能となり、初期の星形成および原始星の初期質量関数の制約が可能になる。

ABSTRACT

Supernovae are important probes of the properties of stars at high redshifts because they can be detected at early epochs and their masses can be inferred from their light curves. Finding the first cosmic explosions in the universe will only be possible with the James Webb Space Telescope, the Wide-Field Infrared Survey Telescope and the next generation of extremely large telescopes. But strong gravitational lensing by massive clusters, like those in the Cluster Lensing and Supernova Survey with Hubble (CLASH), could reveal such events now by magnifying their flux by factors of 10 or more. We find that CLASH will likely discover at least 2 - 3 core-collapse supernovae at 5 < z < 12 and perhaps as many as ten. Future surveys of cluster lenses similar in scope to CLASH by the James Webb Space Telescope might find hundreds of these events out to z ~ 15 - 17. Besides revealing the masses of early stars, these ancient supernovae will also constrain cosmic star formation rates in the era of first galaxy formation.

研究の動機と目的

• CLASH調査における強い重力レンズ効果を用いた、赤方偏移 z ~ 5–12 のコアコラプス超新星の検出可能性を評価すること。
• CLASHおよび将来の望遠鏡（例：JWST）が発見可能な高赤方偏移超新星の数を推定すること。
• レンズ効果を受ける超新星の検出を用いて、最初の銀河形成期における宇宙の星形成率を制約すること。
• 次世代望遠鏡の打ち上げ前に原始超新星を検出可能かどうかの実現可能性を評価すること。

提案手法

• 赤方偏移およびエインシュタイン半径の関数として、拡大率およびレンズ効果の体積を計算するため、銀河団レンズを特異的等温球体としてモデル化する。
• Planckデータから得られる宇宙論的パラメータ（ΩM = 0.308, ΩΛ = 0.692）を用いて、距離輝度およびレンズ効果の体積を計算する。
• 15–40 M☉ のコアコラプス超新星の近赤外光曲線を用いて、高赤方偏移における検出可能な明るさを推定する。
• ガンマ線バーストの発生率、高赤方偏移銀河の明るさ関数、およびシミュレーションを用いて星形成率（SFR）の推定値を統合し、超新星発生率をモデル化する。
• SFRとレンズ効果の体積および拡大率の閾値（μ ≥ 2, 10, 20）を畳み合わせ、予想される検出率を計算する。
• 同様のレンズ幾何学的配置と保守的な拡大率閾値（μ ≥ 2）を用いて、将来のJWST銀河団調査の検出率を予測する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 CLASH調査は、強い重力レンズ効果を用いて、赤方偏移 z ~ 5–12 のコアコラプス超新星を何件検出可能であろうか？
• RQ2 レンズ拡大率を用いた将来のJWST銀河団調査において、高赤方偏移超新星の予想検出率はどの程度であろうか？
• RQ3 高赤方偏移における星形成率の変動が、レンズ効果を受ける調査における検出可能超新星数にどのように影響するか？
• RQ4 CLASHで超新星の検出が見られなかった場合、z ~ 5–12 における宇宙の星形成率に有用な上限を提供できるか？
• RQ5 すべての空域をカバーする強い重力レンズ効果調査は、z > 15 で超新星発生率が低い場合に、より大きなレンズ効果体積を活用することで、その不足を補えるか？

主な発見

• CLASHは、赤方偏移 z ~ 5–12 の範囲で、2～3 件のコアコラプス超新星を検出すると予想される。星形成率が高い条件下では最大で 10 件の検出が可能である。
• 星形成率が高い場合、CLASHの 35 および 55 アーキ秒のエインシュタイン半径を持つレンズは、それぞれ 0.2 および 0.5 件の超新星を検出可能であり、合計で z > 5 の範囲で 3～9 件のイベントが得られる。
• CLASHにおけるコアコラプス超新星の実用的検出限界は z ~ 12–13 である。星形成率が高くても、この赤方偏移を超えると検出は期待できない。
• 将来のJWST銀河団調査では、中程度の星形成率（SFR）条件下で、1 レンズあたり z ~ 5–12 で 18～40 件のコアコラプス超新星を検出可能であり、z ~ 15–17 では 1～3 件のイベントが検出可能である。
• 星形成率が低い場合でも、JWST調査では μ ≥ 2 の条件下で、1 レンズあたり 1.5～3 件の超新星を検出可能であり、CLASHよりも高い感度を示す。
• CLASHで超新星の検出が見られなかった場合、星形成率が高いモデルを制限し、z ~ 5–12 における宇宙のSFRの上限を提供することができる。