[论文解读] A targeted search for strongly lensed supernovae with the Las Cumbres Observatory

Peter Craig, Kyle O’Connor+5 more|arXiv (Cornell University)|Nov 2, 2021

Gamma-ray bursts and supernovae被引用 6

一句话总结

本研究利用拉斯坎布雷斯天文台（LCOS）对强引力透镜超新星（glSNe）进行了针对性搜索，分析了112个恒星形成率较高的星系-星系透镜系统。尽管两年内未检测到任何信号，蒙特卡洛模拟预测每年预期检测到0.20例glSNe，95%置信区间为[0, 2.1]，表明当前调查的深度和观测频率不足以实现检测，除非采用更深的成像或更长的观测基线。此外，预测了罗宾逊天文台在未来类似观测策略下的超新星产量为每年0.63例。

ABSTRACT

Gravitationally lensed supernovae (glSNe) are of interest for time delay cosmology and SN physics. However, glSNe detections are rare, owing to the intrinsic rarity of SN explosions, the necessity of alignment with a foreground lens, and the relatively short window of detectability. We present the Las Cumbres Observatory Lensed Supernova Search, LCOLSS, a targeted survey designed for detecting glSNe in known strong lensing systems. Using cadenced r'-band imaging, LCOLSS targeted 114 galaxy-galaxy lensing systems with high expected SN rates, based on estimated star formation rates. No plausible glSN was detected by LCOLSS during our two year observing program. We carry out an analysis here to measure a detection efficiency for these observations. We then perform Monte Carlo simulations using the predicted supernova rates to determine the expected number of glSN detections. The results of the simulation suggest an expected number of detections and $68\%$ Poisson confidence intervals, $N_{SN} = 0.20, [0,2.1] $, $N_{Ia} = 0.08, [0,2.0]$, $N_{CC} = 0.12, [0,2.0]$, for all SNe, Type Ia SNe, and core-collapse (CC) SNe respectively. These results are broadly consistent with the absence of a detection in our survey. Analysis of the survey strategy can provide insights for future efforts to develop targeted glSN discovery programs, especially considering the large anticipated yields of upcoming surveys.

研究动机与目标

• 利用针对性调查方法，在已知的强引力透镜系统中探测强引力透镜超新星（glSNe）。
• 评估在低红移（z < 1）星系-星系透镜系统中，对高恒星形成率系统探测glSNe的可行性。
• 基于超新星速率和调查参数，利用蒙特卡洛模拟量化检测效率与预期检测率。
• 预测未来调查（特别是罗宾逊天文台）在类似针对性策略下的检测率。
• 通过评估观测策略中观测频率、深度与检测产量之间的权衡，为未来针对性glSNe发现计划提供建议。

提出的方法

• 在拉斯坎布雷斯天文台网络上，使用r′-波段分时成像，开展了为期两年的针对性调查（LCOLSS）。
• 基于恒星形成率和爱因斯坦半径估计，从112个高预期超新星率的星系-星系透镜系统中选取目标。
• 通过图像相减和差分成像检测瞬变源，并采用信噪比（S/N）> 3作为候选源的识别阈值。
• 利用曝光时间计算器和基于SDSS校准的方程1的数据驱动方法校准检测效率。
• 运行蒙特卡洛模拟以估算预期的glSNe检测数，综合考虑超新星速率、时间延迟和调查观测频率。
• 基于模拟的调查性能，预测罗宾逊天文台在单次曝光深度为24.7等、观测频率为两周一次条件下的检测率。

实验结果

研究问题

• RQ1 在对112个已知强引力透镜系统（具有高恒星形成率）进行针对性调查时，预期的强引力透镜超新星检测率是多少？
• RQ2 在LCOLSS调查中未检测到任何信号的前提下，针对性glSNe调查的检测效率如何依赖于调查深度和观测频率？
• RQ3 在类似调查策略下，罗宾逊天文台在一年观测基线内的glSNe预期产量是多少？
• RQ4 与ZTF等高观测频率瞬变源调查相比，预测的检测率与实际检测率有何差异？其原因是什么？
• RQ5 若在超新星光变曲线上升至峰值前即完成检测，对于平均时间延迟为36天的glSNe，其时间延迟精度可达到何种水平？

主要发现

• LCOLSS调查在两年观测期内未检测到任何强引力透镜超新星，与预期检测率较低一致。
• 蒙特卡洛模拟预测，所有超新星类型每年预期检测0.20例，95%泊松置信区间为[0, 2.1]。
• 预期检测率分别为：Ia型超新星0.08例/年（[0, 2.0]），核心坍缩型超新星0.12例/年（[0, 2.0]）。
• 若将观测频率从原计划的两周一次改为一个月一次，则需将极限星等加深0.4等，才能获得与原调查相同的glSNe产量。
• 罗宾逊天文台预计每年可探测0.63 ± 0.38例超新星，单次曝光深度为24.7等，其中核心坍缩型为0.47 ± 0.28例/年，Ia型为0.16 ± 0.10例/年。
• 样本的平均时间延迟为36天，时间延迟精度估计为：Ia型为5%，核心坍缩型为7%，若能实现检测，可实现与之相当的H₀约束精度。