[논문 리뷰] Detecting Ancient Supernovae at z ~ 5 - 12 with CLASH

Daniel J. Whalen, Joseph Smidt외 4명|arXiv (Cornell University)|2013. 12. 22.

Gamma-ray bursts and supernovae참고 문헌 5인용 수 9

한 줄 요약

이 논문은 CLASH 조사에서 강한 중력 렌즈 효과를 활용해 현재 허블 우주망원경 데이터를 통해 적색편이 z ~ 5–12에서 2–3개의 코어 붕괴 초신성 감지가 가능할 것으로 제안한다. 별 형성률에 따라 최대 10개의 가능성 있는 감지가 있을 수 있으며, 향후 제임스 웹 우주망원경을 이용한 조사에서는 적색편이 z ~ 15–17에서 수백 개의 이러한 옛날 초신성을 발견할 수 있을 것으로 기대되며, 이는 초기 별 형성과 초기 별의 초기 질량 함수를 제약하는 데 기여할 수 있다.

ABSTRACT

Supernovae are important probes of the properties of stars at high redshifts because they can be detected at early epochs and their masses can be inferred from their light curves. Finding the first cosmic explosions in the universe will only be possible with the James Webb Space Telescope, the Wide-Field Infrared Survey Telescope and the next generation of extremely large telescopes. But strong gravitational lensing by massive clusters, like those in the Cluster Lensing and Supernova Survey with Hubble (CLASH), could reveal such events now by magnifying their flux by factors of 10 or more. We find that CLASH will likely discover at least 2 - 3 core-collapse supernovae at 5 < z < 12 and perhaps as many as ten. Future surveys of cluster lenses similar in scope to CLASH by the James Webb Space Telescope might find hundreds of these events out to z ~ 15 - 17. Besides revealing the masses of early stars, these ancient supernovae will also constrain cosmic star formation rates in the era of first galaxy formation.

연구 동기 및 목표

• 강한 중력 렌즈 효과를 활용해 CLASH 조사에서 z ~ 5–12에서의 코어 붕괴 초신성 감지 가능성 평가
• CLASH 및 향후 천체망원경(예: JWST)을 통해 감지될 수 있는 고적색편이 초신성의 수 추정
• 렌즈 효과를 이용한 초신성 감지로 초기 은하 형성 시기의 은하 별 형성률 제약
• 차세대 천체망원경 발사 이전에 원시 초신성 감지의 가능성 평가

제안 방법

• 적색편이와 에인슈타인 반경에 따라 확대율과 렌즈 부피를 계산하기 위해 은하 클러스터 렌즈를 단일 등방성 구로 모델링
• Planck 데이터에서 얻은 천체론적 파rameter(ΩM = 0.308, ΩΛ = 0.692)를 사용해 광학적 거리와 렌즈 부피 계산
• 15–40 M☉ 코어 붕괴 초신성의 근적외선 광도 곡선을 적용해 고적색편이에서 감지 가능한 등급 추정
• 감마선 폭발 빈도, 고적색편이 은하의 빛의 세기 함수, 시뮬레이션을 이용해 별 형성률(SFR) 추정치 통합하여 초신성 발생률 모델링
• SFR를 렌즈 부피와 확대율 임계값(μ ≥ 2, 10, 20)과 병합하여 기대 감지율 계산
• 유사한 렌즈 기하학과 보수적인 확대율 임계값(μ ≥ 2)을 사용해 향후 JWST 클러스터 조사의 감지율 예측

실험 결과

연구 질문

• RQ1 CLASH 조사에서 강한 중력 렌즈 효과를 통해 z ~ 5–12에서 얼마나 많은 코어 붕괴 초신성을 감지할 수 있는가?
• RQ2 렌즈 확대 효과를 활용한 향후 JWST 클러스터 조사에서 고적색편이 초신성의 기대 감지율은 얼마인가?
• RQ3 고적색편이에서 별 형성률이 변할 경우 렌즈 효과를 이용한 감지 가능한 초신성의 수에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 CLASH에서 초신성 감지가 이루어지지 않는다면 z ~ 5–12에서의 은하 별 형성률에 대한 유용한 상한선을 제공할 수 있는가?
• RQ5 모든 하늘을 대상으로 한 강한 중력 렌즈 조사가 z > 15에서 낮은 초신성 발생률을 보완하기 위해 더 큰 렌즈 부피를 활용할 수 있는 정도는 어느 정도인가?

주요 결과

• CLASH는 z ~ 5–12에서 2~3개의 코어 붕괴 초신성을 감지할 것으로 예상되며, 높은 별 형성률 조건에서는 최대 10개의 가능 감지가 있을 수 있다.
• 높은 별 형성률 조건에서 CLASH의 35 및 55 각초 에인슈타인 반경 렌즈는 각각 0.2 및 0.5개의 초신성을 감지할 수 있으며, z > 5에서 총 3~9건의 사건이 발생할 것으로 예상된다.
• CLASH에서 코어 붕괴 초신성의 실질적 감지 한계는 z ~ 12–13이며, 이보다 높은 적색편이에서는 높은 SFR 조건이라도 감지가 기대되지 않는다.
• 향후 JWST 클러스터 조사에서는 중간 SFR 조건에서 z ~ 5–12에서 렌즈당 18~40개의 코어 붕괴 초신성을 감지할 수 있으며, z ~ 15–17에서는 1~3건의 사건이 감지 가능할 것으로 예상된다.
• 낮은 별 형성률 조건에서도 JWST 조사는 렌즈당 μ ≥ 2 조건에서 1.5~3개의 초신성을 감지할 수 있어 CLASH보다 더 높은 감지 민감도를 보인다.
• CLASH에서 초신성 감지가 이루어지지 않으면 고별 형성률 모델을 제약할 수 있으며, z ~ 5–12에서의 은하 별 형성률에 대한 상한선을 제공할 수 있다.