[论文解读] Detecting strongly-lensed type Ia supernovae with LSST

Nikki Arendse, Suhail Dhawan+9 more|arXiv (Cornell University)|Dec 7, 2023

Gamma-ray bursts and supernovae被引用 6

一句话总结

本研究利用LSST的v3.0观测策略，模拟了对强引力透镜化Ia型超新星（SNe）的探测，预测每年约可探测到44例，其中约8%因恒星微引力透镜效应而减少。研究识别出约10个高质量透镜化超新星组成的“黄金样本”，其特征为亮度高、监测充分，且时间延迟超过10天，可在三年内实现1.5%精度的哈勃常数（H₀）测量，为H₀张力问题提供独立于距离 ladder 和早期宇宙模型的宇宙学约束。

ABSTRACT

Strongly-lensed supernovae are rare and valuable probes of cosmology and astrophysics. Upcoming wide-field time-domain surveys, such as the Vera C. Rubin Observatory's Legacy Survey of Space and Time (LSST), are expected to discover an order-of-magnitude more lensed supernovae than have previously been observed. In this work, we investigate the cosmological prospects of lensed type Ia supernovae (SNIa) in LSST by quantifying the expected annual number of detections, the impact of stellar microlensing, follow-up feasibility, and how to best separate lensed and unlensed SNIa. We simulate SNIa lensed by galaxies, using the current LSST baseline v3.0 cadence, and find an expected number of 44 lensed SNIa detections per year. Microlensing effects by stars in the lens galaxy are predicted to lower the lensed SNIa detections by $\sim 8 \%$. The lensed events can be separated from the unlensed ones by jointly considering their colours and peak magnitudes. We define a `gold sample' of $\sim 10$ lensed SNIa per year with time delay $> 10$ days, $> 5$ detections before light-curve peak, and sufficiently bright ($m_i < 22.5$ mag) for follow-up observations. In three years of LSST operations, such a sample is expected to yield a $1.5\%$ measurement of the Hubble constant.

研究动机与目标

• 使用LSST v3.0观测巡天方案，量化强引力透镜化Ia型超新星（SNe）的年探测率。
• 评估恒星微引力透镜效应对透镜化SNe可探测性及光变曲线特征的影响。
• 通过颜色与峰值星等的联合分析，制定区分透镜化SNe与非透镜化SNe的筛选策略。
• 定义一个“黄金样本”，即具备足够测光质量与时间延迟的透镜化SNe，以支持后续观测与H₀测量。
• 评估透镜化SNe在独立于距离 ladder 和早期宇宙模型的前提下，约束哈勃常数的宇宙学潜力。

提出的方法

• 使用LSST v3.0基线观测巡天方案模拟透镜化SNe，结合SALT3模型生成的现实光变曲线及星系尺度透镜的放大效应。
• 利用Lenstronomy软件模拟透镜星系中恒星质量散射体的微引力透镜效应，影响通量与光变曲线形状。
• 通过颜色-星等图，基于其联合测光特性区分透镜化与非透镜化SNe。
• 通过筛选条件定义“黄金样本”：时间延迟 >10天，峰值前 >5次探测，且视星等 mᵢ < 22.5 等，以确保后续观测的可行性。
• 使用专用的时间延迟估计流程，从模拟的仅LSST光变曲线中测量时间延迟。
• 采用平坦ΛCDM宇宙学模型（H₀ = 67.8 km s⁻¹ Mpc⁻¹，Ωₘ = 0.308）作为模拟与宇宙学推断的基准模型。

实验结果

研究问题

• RQ1 在v3.0观测策略下，LSST每年可探测多少例强引力透镜化Ia型超新星？
• RQ2 恒星微引力透镜效应对LSST数据中透镜化SNe可探测性的降低程度如何？
• RQ3 在LSST数据中，何种测光标准（颜色与峰值星等）最能有效分离透镜化SNe与非透镜化SNe？
• RQ4 预计有多少例高质量透镜化SNe（即“黄金样本”）适合用于时间延迟与H₀测量？
• RQ5 仅依靠LSST数据，是否足以提供足够信息，实现对哈勃常数的宇宙学显著测量？

主要发现

• 使用v3.0观测巡天方案，LSST预计每年可探测约44例强引力透镜化Ia型超新星。
• 由于通量调制与光变曲线畸变，恒星微引力透镜效应使可探测的透镜化SNe数量减少约8%。
• 通过联合分析颜色与峰值星等，可有效区分透镜化与非透镜化SNe，实现高效的源识别。
• 预计每年将获得约10例“黄金样本”透镜化SNe，其筛选标准为时间延迟 >10天，峰值前 >5次探测，且 mᵢ < 22.5 等，具备良好的后续观测潜力。
• 在LSST运行三年期间，该黄金样本有望实现1.5%精度的哈勃常数测量，为H₀张力问题提供独立于宇宙学模型的检验。
• 结果表明，LSST中的透镜化SNe将成为测试H₀差异的强大探针，尤其在结合高分辨率后续观测以打破质量面因子退化问题时更为显著。