[论文解读] Probing Reionization with the Redshift Distribution of Distant Supernovae

Andrei Mesinger, Benjamin D. Johnson+1 more|arXiv (Cornell University)|May 6, 2005

Gamma-ray bursts and supernovae被引用 1

一句话总结

本文提出利用遥远Ia型超新星（SNe）的红移分布来探测宇宙再电离过程，利用的是由于星际介质加热导致低质量星系中恒星形成突然受抑的预期效应。在类似詹姆斯·韦布空间望远镜（JWST）的灵敏度下，一项巡天可在z ~ 6处每单位红移探测到数千颗SNe，若再电离过程发生迅速（Δz < 1–3），则可揭示再电离的特征信号，表现为低质量晕中恒星形成受抑及约10%的恒星形成效率。

ABSTRACT

By heating the intergalactic medium (IGM) and raising the cosmological Jeans mass, the process of reionization may have abruptly suppressed the star formation rate (SFR) in low-mass galaxies. We analyze the prospects of detecting a corresponding sudden drop in the supernova rate (SNR) around the redshift of reionization (z_re) in future surveys of distant SNe. We assume that the SFR at high redshift traces the formation rate of dark matter halos. We vary both the location and size of the drop in the SFR by varying the redshift of reionization as well as its impact on the SFR in low-mass halos. We make use of the observed properties of local SNe, such as their lightcurves, fiducial spectra, and peak magnitude distributions, to predict the corresponding number of detectable SNe as a function of redshift. We obtain a rate of 0.4-2.3 SNe/arcmin^2/yr at z &gt; 5 at the near infrared (4.5 micron) flux density threshold of 3 nJy (achievable with the James Webb Space Telescope (JWST) in a 10^5 sec integration). In a hypothetical one-year survey, it should be possible to detect up to several thousand SNe per unit redshift at z ~ 6. We find that, as long as (i) reionization is relatively rapid and synchronized over different regions to within \\Delta z &lt;~ 1 -- 3, (ii) the star-formation efficiency in halos that dominate reionization is ~ 10 %, and (iii) reionization notably suppresses the star formation in low-mass halos, such a survey can reveal the signature of reionization out to z_re &lt; 13. Depending on the details of (i) -- (iii), this could be achieved with a survey lasting less than two weeks. Detecting this signature would also help elucidate the feedback mechanism that regulates reionization.

研究动机与目标

• 探究再电离期间低质量星系中恒星形成受抑是否会在高红移超新星爆发率（SNR）中留下可观测的痕迹。
• 确定未来对遥远SNe的深度巡天能否探测到再电离红移（z_re）附近的SNR突然下降。
• 评估此类信号在当前及未来望远镜（特别是詹姆斯·韦布空间望远镜，JWST）条件下可观测的条件。
• 通过将观测到的SNR演化与低质量晕中恒星形成物理性受抑相联系，约束再电离反馈机制。

提出的方法

• 建模低质量暗物质晕中恒星形成率（SFR）随红移的变化，假设其因星际介质加热和 Jeans 质量增加而在再电离期间受到抑制。
• 利用本地SNe的观测特性——光变曲线、基准光谱和峰值星等分布——预测高红移处可探测的SNe爆发率。
• 通过在4.5 μm波段设置3 nJy的通量密度阈值（对应10^5秒的JWST积分时间），模拟单位面积和红移下可探测SNe的预期数量。
• 改变再电离的红移范围和持续时间（Δz < 1–3），以及主导再电离的晕中恒星形成效率（约10%），以测试可探测性。
• 计算包含低质量晕中抑制效应的超新星爆发率密度随红移的变化，并与可探测的SNe计数进行比较。

实验结果

研究问题

• RQ1 高红移（z > 5）处超新星爆发率的突然下降是否可作为宇宙再电离的特征信号？
• RQ2 在何种条件下——特别是再电离持续时间和恒星形成效率——可利用未来巡天探测到这种SNR受抑？
• RQ3 对低质量晕中恒星形成受抑程度的变化，再电离信号的可探测性有多敏感？
• RQ4 使用类似JWST能力的望远镜探测此类信号，所需的观测积分时间和巡天深度是多少？

主要发现

• 在JWST灵敏度（4.5 μm波段3 nJy，积分时间10^5秒）下，每平方弧分每年可探测到0.4–2.3颗SNe，红移z > 5。
• 在为期一年的巡天中，根据巡天深度和灵敏度，z ~ 6处每单位红移可探测到数千颗SNe。
• 若再电离过程迅速且区域间同步（Δz < 1–3），即使巡天持续时间不足两周，该再电离信号也可被探测到。
• 当主导再电离晕中恒星形成效率约为10%，且低质量晕中恒星形成受抑显著时，探测结果最为可靠。
• 探测到此SNR下降将为调控再电离过程的反馈机制提供直接的观测证据。