[論文レビュー] The JWST Discovery of the Triply-imaged Type Ia "Supernova H0pe" and Observations of the Galaxy Cluster PLCK G165.7+67.0

Brenda Frye, Massimo Pascale+40 more|arXiv (Cornell University)|Sep 13, 2023

Gamma-ray bursts and supernovae被引用数 4

ひとこと要約

本論文は、赤方偏移 z = 1.78 の多重像タイプIa超新星 SN H0pe を、赤方偏移 z = 0.35 の銀河団 PLCK G165.7+67.0（z = 0.35）によって強引力レンズ効果で歪められたものとして、ジェームズ・ウェッブ宇宙望遠鏡（JWST）が発見した。3つの明確な像により、時間遅れを用いた宇宙論的測定が可能となった。研究では、高精度なレンズモデルを構築し、全銀河団質量を (2.6 ± 0.3) × 10¹⁴ M⊙ と評価した。また、SNの宿主銀河周辺に、コンパクトで星形成が活発な銀河グループを同定し、強引力レンズ時間遅れを用いたハッブル定数 H₀ の測定に新たな道を切り開いた。

ABSTRACT

A Type Ia supernova (SN) at $z=1.78$ was discovered in James Webb Space Telescope Near Infrared Camera imaging of the galaxy cluster PLCK G165.7+67.0 (G165; $z = 0.35$). The SN is situated 1.5-2 kpc from the host-galaxy nucleus and appears in three different locations as a result of gravitational lensing by G165. These data can yield a value for Hubble's constant using time delays from this multiply-imaged SN Ia that we call "SN H0pe." Over the cluster, we identified 21 image multiplicities, confirmed five of them using the Near-Infrared Spectrograph, and constructed a new lens model that gives a total mass within 600 kpc of ($2.6 \pm 0.3) imes 10^{14}$ $M_{\odot}$. The photometry uncovered a galaxy overdensity coincident with the SN host galaxy. NIRSpec confirmed six member galaxies, four of which surround the SN host galaxy with relative velocity $\lesssim$900 km s$^{-1}$ and projected physical extent $\lesssim$33 kpc. This compact galaxy group is dominated by the SN host galaxy, which has a stellar mass of $(5.0 \pm 0.1) imes 10^{11}$ $M_{\odot}$. The group members have specific star-formation rates of 2-260 Gyr$^{-1}$ derived from the H$α$-line fluxes corrected for stellar absorption, dust extinction, and slit losses. Another group centered on a strongly-lensed dusty star forming galaxy is at $z=2.24$. The total (unobscured and obscured) SFR of this second galaxy group is estimated to be ($\gtrsim$100 $M_{\odot}$ yr$^{-1}$), which translates to a supernova rate of $\sim$1 SNe yr$^{-1}$, suggesting that regular monitoring of this cluster may yield additional SNe.

研究の動機と目的

• 多重像タイプIa超新星の時間遅れを用いてハッブル定数 H₀ を測定すること。
• 強引力レンズ効果を用いて銀河団 PLCK G165.7+67.0 の質量分布を特徴付けること。
• SN H0pe の宿主環境、特にそのコンパクトな銀河グループと星形成特性を調査すること。
• 今後の超新星発見の可能性を高める、この領域の変動天体の潜在的特性を評価すること。
• JWSTデータを用いた高精度な時間遅れ宇宙論的測定への応用を検証すること。

提案手法

• JWSTの近赤外カメラ（NIRCam）による撮像で、強引力レンズ効果を受ける多重像超新星 SN H0pe が観測された。
• 近赤外スペクトロメータ（NIRSpec）の観測により、11体の銀河団メンバーの赤方偏移と運動学が確認され、そのうち6体がSN宿主銀河グループに属する。
• 複数の像の位置と赤方偏移を用いて、新たな強引力レンズモデルを構築し、600 kpc内での全銀河団質量を (2.6 ± 0.3) × 10¹⁴ M⊙ と算出した。
• 9回の観測エポックにわたる画像測光と光曲線解析により、SN H0pe の測光的時間遅れが推定された。
• チルムス補正、星の吸収、スリット損失を補正したHα輝度から、星形成率（SFR）が導出された。
• レンズモデルと測光的・分光的時間遅れ推定値を統合し、H₀ の制約が今後の解析（Pascale et al. 2023）でなされる予定である。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 強引力レンズ効果を受ける銀河団内で多重像が得られたタイプIa超新星の時間遅れを用いて、ハッブル定数 H₀ を測定可能か？
• RQ2 複数の像系を用いて制約された銀河団 PLCK G165.7+67.0 の質量分布はいかなるものか？
• RQ3 SN H0pe を宿すコンパクトな銀河グループの物理的性質と星形成特性は何か？
• RQ4 銀河団環境における高い星形成率は、追加の変動天体の発見可能性にどのように影響するか？
• RQ5 SN H0pe の分光的確認状況およびタイプIa超新星としての分類は何か？

主な発見

• SN H0pe は赤方偏移 z = 1.78 のタイプIa超新星であり、銀河団 G165（z = 0.35）による強引力レンズ効果で3つの明確な位置に像として観測された。
• 21個の像多重度と5つの確認済み像を用いた新しいレンズモデルにより、600 kpc内での全銀河団質量は (2.6 ± 0.3) × 10¹⁴ M⊙ と測定された。
• SN宿主銀河を中心とするコンパクトな銀河グループは、投影距離で ≲33 kpc の広がりを示し、星質量は (5.0 ± 0.1) × 10¹¹ M⊙ であった。
• グループのメンバーは 2–260 Gyr⁻¹ の特異的星形成率を示しており、継続的または最近の星形成が進行中であることを示唆している。SN宿主銀河は、活発な状態から静止状態への移行段階にある可能性がある。
• z = 2.24 のもう一つの、より遠方の銀河グループは、全星形成率が ≳100 M⊙ yr⁻¹ に達し、これは約1 SNe yr⁻¹ の超新星発生率を示唆しており、この領域の変動天体の潜在的発生可能性が高まっていることを示している。
• NIRSpec分光測定により、SNはタイプIaと確認され、今後の研究で分光的時間遅れを測定する予定である（Chen et al. 2023）。