[论文解读] Detecting Ancient Supernovae at z ~ 5 - 12 with CLASH

Daniel J. Whalen, Joseph Smidt+4 more|arXiv (Cornell University)|Dec 22, 2013

Gamma-ray bursts and supernovae参考文献 5被引用 9

一句话总结

本文提出，利用哈勃空间望远镜当前的数据，CLASH巡天中的强引力透镜效应可探测到红移z ~ 5–12范围内的2–3颗核心坍缩超新星，具体数量取决于恒星形成率，最多可达十次可能的探测。未来詹姆斯·韦伯空间望远镜的巡天有望发现数百颗此类古老超新星，红移z ~ 15–17，从而对早期恒星形成以及原初恒星的初始质量函数提供约束。

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.

研究动机与目标

• 评估利用CLASH巡天中的强引力透镜效应探测红移z ~ 5–12范围核心坍缩超新星的可探测性。
• 估算CLASH以及未来望远镜（如JWST）可能探测到的高红移超新星数量。
• 利用透镜化超新星探测结果，对第一代星系形成时期宇宙恒星形成率进行约束。
• 评估在下一代望远镜发射前探测原初超新星的可行性。

提出的方法

• 将星系团透镜建模为单一等温球体，以计算放大率和透镜体积随红移及爱因斯坦半径的变化。
• 利用普朗克数据的宇宙学参数（ΩM = 0.308，ΩΛ = 0.692）计算光度距离和透镜体积。
• 应用15–40 M☉核心坍缩超新星的近红外光曲线，估算高红移下的可探测星等。
• 结合伽马射线暴率、高红移星系光度函数及模拟结果，对恒星形成率（SFR）进行估算，以建立超新星率模型。
• 将SFR与透镜体积及放大率阈值（μ ≥ 2，10，20）进行卷积，计算预期探测率。
• 基于相似的透镜几何结构与保守的放大率阈值（μ ≥ 2），预测未来JWST星系团巡天的探测率。

实验结果

研究问题

• RQ1 通过CLASH巡天中的强引力透镜效应，可探测到多少颗红移z ~ 5–12范围内的核心坍缩超新星？
• RQ2 利用透镜放大效应的未来JWST星系团巡天，预期的高红移超新星探测率是多少？
• RQ3 高红移恒星形成率的变化如何影响透镜巡天中可探测超新星的数量？
• RQ4 若CLASH中未探测到超新星，是否可为此提供宇宙恒星形成率在z ~ 5–12范围内的有效上限？
• RQ5 全天空强引力透镜巡天在多大程度上可通过利用更大的透镜体积，补偿z > 15区域超新星低发生率的问题？

主要发现

• CLASH预计可探测到2至3颗红移z ~ 5–12范围内的核心坍缩超新星，在高恒星形成率条件下最多可达10次可能的探测。
• 在高恒星形成率下，CLASH中爱因斯坦半径为35和55角秒的透镜分别可探测到0.2和0.5颗超新星，总计在z > 5区域探测到3–9次事件。
• CLASH中核心坍缩超新星的实际探测极限为z ~ 12–13；即使在高SFR条件下，该红移以上也预计无探测事件。
• 未来JWST星系团巡天在中等SFR条件下，每透镜可探测到18至40颗红移z ~ 5–12范围内的核心坍缩超新星，且在z ~ 15–17区域可探测到1–3次事件。
• 即使在低恒星形成率下，JWST巡天每透镜在μ ≥ 2条件下仍可探测到1.5至3颗超新星，显示出比CLASH更高的灵敏度。
• 若CLASH中未探测到超新星，将对高恒星形成率模型构成约束，为z ~ 5–12红移区的宇宙SFR提供上限。