[논문 리뷰] Near-IR search for lensed supernovae behind galaxy clusters: III. Implications for cluster modeling and cosmology

T. Riehm, Edvard Mörtsell외 7명|HAL (Le Centre pour la Communication Scientifique Directe)|2011. 09. 28.

Gamma-ray bursts and supernovae참고 문헌 36인용 수 9

한 줄 요약

이 논문은 중력 렌즈 효과를 겪는 초신성 Ia형(SNe Ia)이 은하단의 질량 모델을 제약하고 고적색변위에서 허블 상수를 측정하는 데 사용될 수 있음을 보여준다. SNe Ia의 표준 캔들 성질을 활용하여 질량-시트 딜레마를 해소함으로써, 잘 모델링된 은하단 A1689에서 심지어 한 개의 시간 지연 측정값만으로도 허블 상수의 정밀도가 약 10%에 도달할 수 있음을 시사한다. 이는 암흑물질과 천체물리학 연구에 강력한 도구가 된다.

ABSTRACT

Massive galaxy clusters at intermediate redshifts act as gravitational lenses that can magnify supernovae (SNe) occurring in background galaxies. We assess the possibility to use lensed SNe to put constraints on the mass models of galaxy clusters and the Hubble parameter at high redshift. Due to the standard candle nature of Type Ia supernovae (SNe Ia), observational information on the lensing magnification from an intervening galaxy cluster can be used to constrain the model for the cluster mass distribution. A statistical analysis using parametric cluster models was performed to investigate the possible improvements from lensed SNe Ia for the accurately modeled galaxy cluster A1689 and the less well constrained cluster A2204. Time delay measurements obtained from SNe lensed by accurately modeled galaxy clusters can be used to measure the Hubble parameter. For a survey of A1689 we estimate the expected rate of detectable SNe Ia and of multiply imaged SNe. The velocity dispersion and core radius of the main cluster potential show strong correlations with the predicted magnifications and can therefore be constrained by observations of SNe Ia in background galaxies. This technique proves especially powerful for galaxy clusters with only few known multiple image systems. The main uncertainty for measurements of the Hubble parameter from the time delay of strongly lensed SNe is due to cluster model uncertainties. For the extremely well modeled cluster A1689, a single time delay measurement could be used to determine the Hubble parameter with a precision of ~ 10%. We conclude that observations of SNe Ia behind galaxy clusters can be used to improve the mass modeling of the large scale component of galaxy clusters and thus the distribution of dark matter. Time delays from SNe strongly lensed by accurately modeled galaxy clusters can be used to measure the Hubble constant at high redshifts.

연구 동기 및 목표

• 렌즈 효과를 겪는 SNe Ia가 은하단 질량 모델링을 향상시키는 데 실현 가능한지 평가하기.
• 다중 영상으로 나타나는 SNe Ia의 시간 지연가 고적색변위에서 허블 상수를 측정할 수 있는지 조사하기.
• SNe Ia의 광학적 증폭이 렌즈 모델에서 질량-시트 딜레마를 어떻게 해소하는지 평가하기.
• 관측된 SNe Ia 광학적 증폭을 통해 은하단의 잠재력 파am터(예: 속도 분산, 코어 반경 등)에 가해지는 제약을 정량화하기.
• 렌즈 효과를 겪는 SNe Ia가 거리 이중성 관계와 비표준 중력 이론을 탐색하는 데 어떻게 활용될 수 있는지 탐색하기.

제안 방법

• A1689와 A2204 은하단 뒤에 있는 SNe Ia에 대해 렌즈 효과 광학적 증폭을 시뮬레이션하기 위해 매개변수 기반 은하단 모델을 사용하였다.
• SNe Ia의 표준 캔들 성질을 적용하여 절대 광학적 증폭을 추정하고, 렌즈 모델에서 질량-시트 딜레마를 해소하였다.
• HST/WFC3 및 8m급 적외선 설문 조사(예: HAWK-I)를 사용하여 렌즈 효과를 겪는 SNe Ia의 탐지 빈도를 시뮬레이션하였으며, 시야 및 관측 간격을 고려했다.
• 예측된 광선 곡선과 모델 불확실성에 기반하여 잘 모델링된 은하단에서 다중 영상 SNe Ia의 시간 지연 정밀도를 추정하였다.
• 시간 지연 측정값과 SNe Ia 광학적 증폭 데이터를 결합함으로써 허블 상수 제약의 향상 정도를 정량화하였다.
• 별과 MACHOs에 의한 미크로렌즈 효과가 광선 곡선에 미치는 영향과 그에 따른 대규모 질량 모델링에 대한 함의를 평가하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 이미 다중 영상 시스템이 거의 알려져 있지 않은 상황에서, 렌즈 효과를 겪는 SNe Ia가 은하단 질량 분포에 의미 있는 제약을 줄 수 있는가?
• RQ2 SNe Ia의 표준 캔들 성질이 은하단 렌즈 모델에서 질량-시트 딜레마를 얼마나 잘 해소할 수 있는가?
• RQ3 잘 모델링된 은하단에서 강력한 렌즈 효과를 겪는 SNe Ia의 시간 지연을 통해 허블 상수를 얼마나 정밀하게 측정할 수 있는가?
• RQ4 HST/WFC3 및 8m급 적외선 설문 조사에서 렌즈 효과를 겪는 SNe Ia의 예상 탐지 빈도는 얼마인가?
• RQ5 렌즈 효과를 겪는 SNe Ia를 사용하여 고적색변위 천체물리학에서 거리 이중성 관계 $d_L = (1+z)^2 d_A$ 를 검증할 수 있는가?

주요 결과

• 주 은하단 잠재력의 속도 분산과 코어 반경은 예측된 광학적 증폭과 강하게 상관되어 있으며, 이는 관측된 SNe Ia 광학적 증폭을 통해 그 제약을 얻을 수 있음을 의미한다.
• 잘 모델링된 은하단 A1689의 경우, 강력한 렌즈 효과를 겪는 SNe Ia에서 단일 시간 지연 측정값만으로도 허블 상수를 약 10%의 정밀도로 결정할 수 있다.
• A2204처럼 제약이 덜 된 은하단에서는 단일 SNe Ia 탐지만으로도 암흑물질 홀로 모델 파am터를 크게 좁힐 수 있다.
• 별이나 MACHOs에 의한 미크로렌즈 효과는 작은 편이지만, 광선 곡선의 변동을 통해 식별 가능할 것이다.
• 다중 영상 시스템에 있는 SNe Ia는 시간 지연를 탐지할 확률이 매우 높으며, 특히 내재적으로 더 밝은 SNe Ia 및 IIn 유형에서 더욱 그렇다.
• 본 연구는 현재 $z < 1$ 범위에서 이루어지며 20% 이상의 불확실성을 지닌 테스트에 비해 더 높은 적색변위까지 도달할 수 있는 거리 이중성 관계를 탐색할 수 있음을 보여주었다.