[논문 리뷰] Detecting strongly-lensed type Ia supernovae with LSST

Nikki Arendse, Suhail Dhawan외 9명|arXiv (Cornell University)|2023. 12. 07.

Gamma-ray bursts and supernovae인용 수 6

한 줄 요약

이 연구는 LSST의 v3.0 관측 전략을 사용하여 강하게 렌즈된 Ia 초신성(SNe)의 탐지 시뮬레이션을 수행하며, 연간 약 44건의 탐지가 예측되며, 항성 미크로렌즈 효과로 인해 약 8% 감소함을 밝힘. 이 중 약 10건의 고품질 렌즈된 SNe로 구성된 '골드 샘플'이 매년 도출되며, 이는 밝고 잘 모니터링되며 시간 지연이 10일 이상인 특성으로, 3년간의 관측으로 H₀를 1.5% 정밀도로 측정 가능하게 하여, 거리계와 초기 우주 모델에 의존하지 않는 H₀ 불일치 문제에 대한 독립적인 제약 조건을 제공함.

ABSTRACT

Strongly-lensed supernovae are rare and valuable probes of cosmology and astrophysics. Upcoming wide-field time-domain surveys, such as the Vera C. Rubin Observatory's Legacy Survey of Space and Time (LSST), are expected to discover an order-of-magnitude more lensed supernovae than have previously been observed. In this work, we investigate the cosmological prospects of lensed type Ia supernovae (SNIa) in LSST by quantifying the expected annual number of detections, the impact of stellar microlensing, follow-up feasibility, and how to best separate lensed and unlensed SNIa. We simulate SNIa lensed by galaxies, using the current LSST baseline v3.0 cadence, and find an expected number of 44 lensed SNIa detections per year. Microlensing effects by stars in the lens galaxy are predicted to lower the lensed SNIa detections by $\sim 8 \%$. The lensed events can be separated from the unlensed ones by jointly considering their colours and peak magnitudes. We define a `gold sample' of $\sim 10$ lensed SNIa per year with time delay $> 10$ days, $> 5$ detections before light-curve peak, and sufficiently bright ($m_i < 22.5$ mag) for follow-up observations. In three years of LSST operations, such a sample is expected to yield a $1.5\%$ measurement of the Hubble constant.

연구 동기 및 목표

• LSST 설계의 v3.0 관측 주기로 인한 강하게 렌즈된 Ia 초신성(SNe)의 연간 탐지율을 정량화하기 위해.
• 렌즈된 SNe의 탐지 가능성과 광선곡선 특성에 미치는 항성 미크로렌즈 효과의 영향을 평가하기 위해.
• 색상과 최대 밝기의 통합 분석을 통해 렌즈된 SNe와 렌즈되지 않은 SNe를 구별하는 선택 전략을 개발하기 위해.
• 후속 관측과 H₀ 측정에 적합한 충분한 광학적 품질과 시간 지연을 갖춘 '골드 샘플'의 렌즈된 SNe를 정의하기 위해.
• 렌즈된 SNe가 거리계와 초기 우주 모델에 의존하지 않는 Hubble 상수(H₀) 제약 조건을 제공하는 데 있어 천체론적 잠재력을 평가하기 위해.

제안 방법

• LSST v3.0 기본 관측 주기와 함께 실제 SALT3 모델의 광선곡선과 은하 스케일 렌즈의 렌즈 효과를 반영하여 렌즈된 SNe를 시뮬레이션함.
• Lenstronomy 소프트웨어를 사용하여 렌즈 은하 내 항성 질량의 산란체가 광도와 광선곡선 형상에 미치는 영향을 모델링하여 미크로렌즈 효과를 적용함.
• 색상-등급도를 사용하여 광학적 특성의 통합 분석을 통해 렌즈된 SNe와 렌즈되지 않은 SNe를 구분함.
• 후속 관측 가능성 확보를 위해 선택 기준을 설정: 시간 지연 >10일, 최대 밝기 이전에 5회 이상 탐지, 관측된 등급 mᵢ < 22.5 mag.
• 전용 시간 지연 추정 파이프라인을 사용하여 시뮬레이션된 LSST 전용 광선곡선에서 시간 지연을 측정함.
• 모의 및 천체론적 추론에 사용된 기준 모델로 평탄한 ΛCDM 천체론(지니율 H₀ = 67.8 km s⁻¹ Mpc⁻¹, Ωₘ = 0.308)을 사용함.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 v3.0 관측 전략 하에서 LSST는 연간 몇 건의 강하게 렌즈된 Ia 초신성을 탐지할 수 있는가?
• RQ2 항성 미크로렌즈 효과는 LSST 데이터에서 렌즈된 SNe의 탐지 가능성에 얼마나 큰 영향을 미치는가?
• RQ3 LSST 데이터에서 렌즈된 SNe와 렌즈되지 않은 SNe를 가장 효과적으로 분리하는 데에 적합한 광학적 기준(색상과 최대 밝기)은 무엇인가?
• RQ4 시간 지연과 H₀ 측정에 적합한 고품질 렌즈된 SNe(즉, '골드 샘플')의 예상 수는 얼마인가?
• RQ5 LSST만으로도 렌즈된 SNe로부터 Hubble 상수의 천체론적으로 의미 있는 측정치를 도출할 수 있는가?

주요 결과

• LSST는 v3.0 관측 전략을 사용할 경우 연간 약 44건의 강하게 렌즈된 Ia 초신성을 탐지할 것으로 예측됨.
• 항성 미크로렌즈 효과로 인해 렌즈된 SNe의 탐지 가능성이 약 8% 감소함. 이는 광도 변동과 광선곡선 왜곡으로 인한 것임.
• 색상과 최대 밝기의 통합 분석을 통해 렌즈된 SNe와 렌즈되지 않은 SNe를 효과적으로 분리할 수 있으며, 이는 효율적인 소스 식별에 기여함.
• 시간 지연 >10일, 최대 밝기 이전에 5회 이상 탐지, mᵢ < 22.5 mag 조건을 충족하는 고품질 렌즈된 SNe 약 10건이 매년 예상되며, 이는 후속 관측에 적합함.
• 3년간의 LSST 운영 기간 동안 골드 샘플을 통해 H₀를 1.5%의 정밀도로 측정할 수 있으며, 이는 H₀ 불일치 문제에 대해 천체론적으로 독립적인 테스트를 제공함.
• 결과는 LSST에서의 렌즈된 SNe가 H₀ 불일치 문제를 테스트하는 데 강력한 도구가 될 수 있음을 보여주며, 특히 질량판별 위기 문제를 해결하기 위해 고해상도 후속 관측과 조합될 경우 더욱 효과적임.