[논문 리뷰] A targeted search for strongly lensed supernovae with the Las Cumbres Observatory

Peter Craig, Kyle O’Connor외 5명|arXiv (Cornell University)|2021. 11. 02.

Gamma-ray bursts and supernovae인용 수 6

한 줄 요약

이 연구는 라스 쿤브레스 관측소(LCO)를 활용하여 강한 렌즈 효과를 겪는 초신성(glSNe)을 대상으로 한 탐색을 수행한다. 고별성 형성률이 높은 112개의 은하-은하 렌즈 시스템을 분석하였으며, 두 해 동안의 관측에서 검출된 초신성이 없었지만 몬테카를로 시뮬레이션 결과 연간 예상 검출 수는 0.20개로, 68% 신뢰구간 [0, 2.1]을 보이며, 이는 해상도와 캐드런스가 검출에 부족함을 시사한다. 더 깊은 이미징 또는 더 긴 기간이 필요하며, 루빈 관측소의 향후 예측 검출 수는 유사한 캐드런스로 연간 0.63개로 예측된다.

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.

연구 동기 및 목표

• 강한 렌즈 효과를 겪는 알려진 시스템에서 타겟팅된 조사 전략을 통해 강한 렌즈 초신성(glSNe)을 검출하기 위해.
• 고적색도(z < 1)의 은하-은하 렌즈 시스템에서 고별성 형성률을 가진 시스템에서 glSNe를 검출할 수 있는 가능성 평가하기 위해.
• 초신성 발생률과 조사 파rameter를 바탕으로 몬테카를로 시뮬레이션을 통해 검출 효율성과 예상 검출률을 정량화하기 위해.
• 특히 루빈 관측소와 같은 향후 조사에 대해 유사한 타겟팅 전략 하에서 검출률 예측하기 위해.
• 캐드런스, 깊이, 검출 수확률 간의 조사 전략 상충 요소를 평가하여 향후 타겟팅된 glSNe 탐색 프로그램에 정보 제공하기 위해.

제안 방법

• 라스 쿤브레스 관측소 네트워크에서 r′-대역 캐드런스 이미징을 사용하여 두 해 동안 타겟팅된 조사(LCOLSS)를 수행하였다.
• 별성 형성률과 아이언스타이어 반경 추정치를 바탕으로 고예상 초신성 발생률을 가진 112개의 은하-은하 렌즈 시스템을 선별하였다.
• 이미지 차분 및 차분 이미징을 수행하여 일시적 소스를 탐지하였으며, 후보 식별을 위해 신호대잡음비(S/N) > 3 기준을 적용하였다.
• 노출 시간 계산기와 SDSS 캘리브레이션된 식 (1)을 기반으로 한 데이터 기반 방법을 사용하여 검출 효율성을 校정하였다.
• 초신성 발생률, 시간 지연, 조사 캐드런스를 고려하여 예상되는 glSNe 검출 수를 추정하기 위해 몬테카를로 시뮬레이션을 실행하였다.
• 단일 관측 깊이 24.7 등급과 두 주 간격 캐드런스를 가진 루빈 관측소의 검출률을 시뮬레이션된 조사 성능 기반으로 예측하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 고별성 형성률이 높은 112개의 알려진 강한 렌즈 시스템에 대해 타겟팅 조사에서 강한 렌즈 초신성의 예상 검출률은 얼마인가?
• RQ2 LCOLSS 조사에서 검출이 없음에도 불구하고, 타겟팅된 glSNe 조사의 검출 효율성은 조사 깊이와 캐드런스에 따라 어떻게 달라지는가?
• RQ3 유사한 타겟팅 전략 하에서 루빈 관측소의 일년 기준 예상 glSNe 수확률은 얼마인가?
• RQ4 ZTF와 같은 고캐드런스 일시적 소스 조사에서 실제 검출률과 예측 검출률은 어떻게 비교되며, 그 차이의 이유는 무엇인가?
• RQ5 정점 밝기 이전에 검출이 이루어진다고 가정할 때, 평균 36일의 시간 지연을 가진 glSNe에 대해 시간 지연 정밀도는 어느 정도 달성 가능한가?

주요 결과

• LCOLSS 조사는 두 해 동안의 관측 기간 동안 어떤 강한 렌즈 초신성도 검출하지 못하였으며, 이는 낮은 예상 검출률과 일치한다.
• 몬테카를로 시뮬레이션 결과, 모든 초신성 유형에 대해 연간 예상 검출 수는 0.20개이며, 68% 푸아송 신뢰구간은 [0, 2.1]이다.
• 예상 검출률은 연간 0.08개(95% 신뢰구간 [0, 2.0])로 Ia형 초신성, 0.12개(95% 신뢰구간 [0, 2.0])로 코어 붕괴형 초신성이다.
• 한 달 간격 캐드런스 조사에서는 원래의 두 주 간격 조사와 동일한 glSNe 수확률을 달성하기 위해 0.4등급 더 깊은 한계 등급이 필요하다.
• 루빈 관측소는 단일 관측 깊이 24.7 등급, 두 주 간격 캐드런스 조건에서 연간 0.63 ± 0.38개의 초신성을 검출할 것으로 예측되며, 이 중 코어 붕괴형은 0.47 ± 0.28개, Ia형은 0.16 ± 0.10개로 예측된다.
• 표본의 평균 시간 지연은 36일이며, Ia형 초신성의 경우 시간 지연 정밀도는 5%, 코어 붕괴형 초신성의 경우 7%로 추정되며, 이는 검출이 이루어지면 H₀ 제약 조건을 유사한 불확실성 수준으로 도출할 수 있음을 의미한다.