[論文レビュー] Strong gravitational lensing and microlensing of supernovae

S. H. Suyu, A. Goobar+3 more|arXiv (Cornell University)|Jan 18, 2023

Gamma-ray bursts and supernovae参考文献 137被引用数 6

ひとこと要約

本論文は、宇宙論および天体物理学における新しいプローブとしての超新星の強引力レンズ効果およびマイクロレンズ効果をレビューする。複数のレンズ効果画像間の時間遅れを用いることで、正確なハッブル定数の測定が可能となり、LSSTから予想される約20個のレンズ効果を受けるIa型超新星が、約1%の精度でH₀の制約をもたらすと予測される。また、レンズ効果を受ける超新星が、超新星の前身星、高赤方偏移スペクトル、超新星のサイズ、遠方銀河におけるダストの性質を調べる可能性を強調する。

ABSTRACT

Strong gravitational lensing and microlensing of supernovae (SNe) are emerging as a new probe of cosmology and astrophysics in recent years. We provide an overview of this nascent research field, starting with a summary of the first discoveries of strongly lensed SNe. We describe the use of the time delays between multiple SN images as a way to measure cosmological distances and thus constrain cosmological parameters, particularly the Hubble constant, whose value is currently under heated debates. New methods for measuring the time delays in lensed SNe have been developed, and the sample of lensed SNe from the upcoming Rubin Observatory Legacy Survey of Space and Time (LSST) is expected to provide competitive cosmological constraints. Lensed SNe are also powerful astrophysical probes. We review the usage of lensed SNe to constrain SN progenitors, acquire high-z SN spectra through lensing magnifications, infer SN sizes via microlensing, and measure properties of dust in galaxies. The current challenge in the field is the rarity and difficulty in finding lensed SNe. We describe various methods and ongoing efforts to find these spectacular explosions, forecast the properties of the expected sample of lensed SNe from upcoming surveys particularly the LSST, and summarize the observational follow-up requirements to enable the various scientific studies. We anticipate the upcoming years to be exciting with a boom in lensed SN discoveries.

研究の動機と目的

• 強引力レンズ効果およびマイクロレンズ効果を受ける超新星の現在の状況と今後の展望をレビューすること。
• 強力なレンズ効果を受ける超新星の初回発見と、特にハッブル定数の測定に与える影響を要約すること。
• レンズ効果を受ける超新星の検出手法を提示し、LSSTのような近い将来の調査から期待される発見数を予測すること。
• レンズ効果を受ける超新星イベントの科学的成果を最大化するための重要な追従観測要件を特定すること。
• レンズ効果を受ける超新星が、超新星の前身星、高赤方偏移スペクトル、超新星のサイズ、遠方銀河におけるダストの性質を独自に調査可能にする方法を示すこと。

提案手法

• レンズ効果を受ける超新星の複数の画像間の時間遅れを用いて、時間遅れ距離、レンズのスケール距離、Ia型超新星の距離を測定する。
• 光曲線、色曲線、スペクトル進化データを用いた新しい時間遅れ測定技術を適用し、模擬データおよび実データで約1日程度の不確実性を達成する。
• レンズ効果の増幅を用いて、高赤方偏移の超新星（z > 1）の分光観測を可能にし、Ia型超新星宇宙論における系統誤差を低減することが不可欠である。
• マイクロレンズ効果の光曲線を用いて、異なる波長および時系列における超新星の物理的サイズを推定する。
• レンズ効果銀河を通る複数の視線を分析し、前方に位置する銀河におけるダスト減光および性質を測定する。
• 詳細なシミュレーションおよびレンズモデルを用いて、LSSTから期待されるレンズ効果を受ける超新星の数と性質を予測し、調査期間中に数十件のイベントが得られると推定する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 強力なレンズ効果を受ける超新星における時間遅れをどのように高精度に測定できるか、またそれによってどのような宇宙論的制約が得られるか？
• RQ2 近い将来のLSST調査から期待されるレンズ効果を受ける超新星の発見数はどの程度で、その主な性質は何か？
• RQ3 レンズ効果を受ける超新星をどのように用いて、超新星の前身星の物理的性質および爆発初期段階を調査できるか？
• RQ4 超新星のマイクロレンズ効果が、異なる波長で超新星のサイズと構造に関する制約をどのように提供できるか？
• RQ5 同一超新星の複数の画像が異なるレンズ効果経路を通る場合、どのようにしてレンズ効果銀河内のダスト性質を測定できるか？

主な発見

• 現在、空間的に分解された画像を持つ5つの強力なレンズ効果を受ける超新星システムが既知である：3つは銀河団によって、2つは個々の銀河によってレンズ効果を受けている。
• レンズ効果を受ける超新星からの時間遅れ測定は、ハッブル定数の直接的制約を提供する。SN Refsdalの時間遅れは、競合的な宇宙論的制約をもたらすと予想される。
• LSSTから得られる20個のレンズ効果を受けるIa型超新星のサンプルは、平坦なΛCDM宇宙論においてハッブル定数を約1%の精度で測定可能であると予測される。
• 超新星のマイクロレンズ効果光曲線は、異なる波長における超新星の物理的サイズの制約を可能にし、超新星の膨張および放射メカニズムに関する知見を提供する。
• レンズ効果の増幅により、z > 1の超新星の分光的分類が可能となり、これはIa型超新星宇宙論における系統誤差低減に不可欠である。
• レンズ効果を受ける超新星システムにおけるレンズ効果銀河を通る複数の視線を用いることで、高赤方偏移銀河におけるダスト減光法則および性質の測定が可能となり、異なる波長での相対的増幅差から制約が得られる。