[論文レビュー] SN H0pe: The First Measurement of $H_0$ from a Multiply-Imaged Type Ia Supernova, Discovered by JWST

Massimo Pascale, Brenda Frye+22 more|arXiv (Cornell University)|Mar 27, 2024

Gamma-ray bursts and supernovae被引用数 9

ひとこと要約

この論文は JWST によって発見された三重に像を持つ Type Ia 超新星（SN H0pe）を用い、写真測光、分光、7つの独立したレンズモデルを組み合わせて、拡大制約を用いて H0 を推定する。

ABSTRACT

The first James Webb Space Telescope ({\it JWST}) Near InfraRed Camera (NIRCam) imaging in the field of the galaxy cluster PLCK G165.7+67.0 ($z=0.35$) uncovered a Type Ia supernova (SN Ia) at $z=1.78$, called ``SN H0pe." Three different images of this one SN were detected as a result of strong gravitational lensing, each one traversing a different path in spacetime, thereby inducing a relative delay in the arrival of each image. Follow-up {\it JWST} observations of all three SN images enabled photometric and rare spectroscopic measurements of the two relative time delays. Following strict blinding protocols which oversaw a live unblinding and regulated post-unblinding changes, these two measured time delays were compared to the predictions of seven independently constructed cluster lens models to measure a value for the Hubble constant, $H_0=71.8^{+9.2}_{-8.1}$ km s$^{-1}$ Mpc$^{-1}$. The range of admissible $H_0$ values predicted across the lens models limits further precision, reflecting the well-known degeneracies between lens model constraints and time delays. It has long been theorized that a way forward is to leverage a standard candle, but this has not been realized until now. For the first time, the lens models are evaluated by their agreement with the SN absolute magnifications, breaking degeneracies and producing our best estimate, $H_0=75.7^{+8.1}_{-5.5}$ km s$^{-1}$ Mpc$^{-1}$. This is the first precision measurement of $H_0$ from a multiply-imaged SN Ia and only the second from any multiply-imaged SN.

研究の動機と目的

• SN Ia を標準燭台として強いレンズ効果領域での時間遅延宇宙論を動機づけ、検証する。
• SN Ia からの絶対拡大を活用してクラスター・レンズの質量モデルの縮退を打破する。
• 写真測光と分光観測を複数のレンズモデルとブラインド化のもとで統合して H0 を推定する。
• SN Ia の標準燭台が中間赤方偏移で精密な H0 制約を生み出せることを示す。

提案手法

• Eq. 3 の DDelta_t を用いてレンズが予測する遅延を H0 で再スケールして時間遅延をモデル化する。
• 同一入力制約を用いて7つの独立したクラスター・レンズモデル（パラメトリック、ノンパラメトリック、セミパラメトリック）を構築する。
• 時間遅延と拡大を組み合わせたベイズ推定により H0 を推定する（Eqs. 4–7）。
• 絶対拡大を追加の観測量として組み込み、レンズモデルの縮退を打破する。
• Appendix で議論されるブラインド解析で偏りを防ぐ。

Figure 1: JWST /NIRCam color image in the central region of G165. Insets show closeup of the boxed region depicting the three images of the host galaxy Arc 2 prior to SN H0pe in HST WFC3/IR F160W imaging from 2016 (lower left) and during its appearances in JWST /NIRCam F150W imaging from 2023 (upper

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 銀河団内の多重像 SN Ia から競争力のある H0 測定は得られるか？
• RQ2 SN 画像の絶対拡大はレンズモデルの縮退を打破して H0 の制約を引き締めるのに役立つか？
• RQ3 写真測光と分光による時間遅延はどのように比較され、H0 の制約に組み合わされるか？
• RQ4 多様なレンズモデルの使用が推定 H0 とその不確実性にどのような影響を与えるか？

主な発見

• モデル間での時間遅延だけから推定された H0 は 71.8 +9.8/-7.6 km s-1 Mpc-1（unblinded 前のブラインド解析）。
• SN の絶対拡大を含めると H0 は 75.4 +8.1/-5.5 km s-1 Mpc-1 へより絞られる。
• 写真測光と分光による解析は時間遅延測定が一貫しており、H0 の結合推定を可能にする。
• 7つのレンズモデルは、パラメトリックとノンパラメトリックのアプローチを跨いで、予測遅延と拡大の幅を生じ、モデル系の系統誤差を示している。
• 本研究は多重像 SN Ia からの初の精密 H0 測定を提示し、初期宇宙の H0 値との緊張を支持する。

Figure 2: High signal-to-noise NIRSpec spectrum of SN H0pe. The G140M (green) and G235M (blue) grating spectra are shown. Some prominent line features are identified, such as the [Si II] line blueshifted to rest-frame $\sim 6150$ Å that is a requiste line feature of a Type Ia supernova. A couple of