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

T. Riehm, Edvard Mörtsell+7 more|HAL (Le Centre pour la Communication Scientifique Directe)|Sep 28, 2011

Gamma-ray bursts and supernovae参考文献 36被引用 9

一句话总结

本文表明，引力透镜效应下的Ia型超新星（SNe Ia）可约束星系团质量模型并测量高红移下的哈勃参数。通过利用SNe Ia作为标准烛光的特性来打破质量片度简并，研究显示，即使在像A1689这样建模良好的星系团中，仅凭一次时间延迟测量，也能将哈勃常数的精度控制在约10%以内，从而为暗物质和宇宙学研究提供强大探针。

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.

研究动机与目标

• 评估利用透镜化SNe Ia改进星系团质量建模的可行性。
• 探究多重像SNe Ia的时间延迟是否可用于测量高红移下的哈勃参数。
• 评估SNe Ia测光放大率对打破强引力透镜模型中质量片度简并的影响。
• 量化由观测到的SNe Ia测光放大率对星系团势参数（如速度 dispersion、核心半径）的约束。
• 探索透镜化SNe Ia作为距离对偶关系与非标准引力探测手段的潜力。

提出的方法

• 采用参数化星系团模型，模拟SNe Ia在星系团A1689和A2204后方的引力透镜放大率。
• 利用SNe Ia的标准烛光特性推断绝对放大率，从而在透镜模型中打破质量片度简并。
• 结合视场与观测周期，利用HST/WFC3和8米级近红外巡天（如HAWK-I）模拟透镜化SNe Ia的探测率。
• 基于预测的光变曲线与模型不确定性，估算在建模良好的星系团中多重像SNe Ia的时间延迟测量精度。
• 量化结合时间延迟测量与SNe Ia放大率数据后，对哈勃参数约束的改进程度。
• 评估恒星与MACHOs引起的微引力透镜效应对SNe光变曲线的影响及其对大尺度质量建模的启示。

实验结果

研究问题

• RQ1 当已知的多重像系统数量有限时，透镜化SNe Ia是否能对星系团质量分布提供有意义的约束？
• RQ2 SNe Ia的标准烛光特性在星系团引力透镜模型中，能在多大程度上打破质量片度简并？
• RQ3 在建模良好的星系团中，利用强引力透镜SNe Ia的时间延迟，能以多高精度测量哈勃参数？
• RQ4 在HST/WFC3与8米级近红外巡天中，透镜化SNe Ia的预期探测率是多少？
• RQ5 能否利用透镜化SNe Ia检验高红移宇宙学中的距离对偶关系 $d_L = (1+z)^2 d_A$？

主要发现

• 主星系团势的速度 dispersion 与核心半径与预测的放大率强相关，因此可通过观测到的SNe Ia放大率对这些参数进行约束。
• 对于建模良好的星系团A1689，仅凭一次强引力透镜SNe Ia的时间延迟测量，即可实现约10%精度的哈勃参数测定。
• 在约束较少的星系团（如A2204）中，单次SNe Ia探测可显著缩小暗物质晕模型参数的范围。
• 恒星或MACHOs引起的微引力透镜效应预计仅导致微小偏差，可通过光变曲线的调制特征识别。
• 多重像系统中的SNe Ia具有高概率探测到时间延迟，尤其对于本征更亮的SNe Ia和IIn型超新星。
• 本研究表明，透镜化SNe Ia可将距离对偶关系的探测红移范围拓展至更高红移，超越当前测试（限于 $z < 1$ 且不确定性 >20%）的限制。