[论文解读] Strong gravitational lensing and microlensing of supernovae

S. H. Suyu, A. Goobar+3 more|arXiv (Cornell University)|Jan 18, 2023

Gamma-ray bursts and supernovae参考文献 137被引用 6

一句话总结

本文综述了超新星强引力透镜和微引力透镜作为宇宙学与天体物理学新兴探针的潜力。文章详细阐述了多重透镜像之间的时间延迟如何实现对哈勃常数的精确测量，预测在LSST时代约20个透镜化Ia型超新星可将H₀的约束精度提升至约1%，并强调了透镜化超新星在探测超新星前身星、高红移光谱、超新星光度大小以及遥远星系中尘埃特性方面的潜力。

ABSTRACT

Strong gravitational lensing and microlensing of supernovae (SNe) are emerging as a new probe of cosmology and astrophysics in recent years. We provide an overview of this nascent research field, starting with a summary of the first discoveries of strongly lensed SNe. We describe the use of the time delays between multiple SN images as a way to measure cosmological distances and thus constrain cosmological parameters, particularly the Hubble constant, whose value is currently under heated debates. New methods for measuring the time delays in lensed SNe have been developed, and the sample of lensed SNe from the upcoming Rubin Observatory Legacy Survey of Space and Time (LSST) is expected to provide competitive cosmological constraints. Lensed SNe are also powerful astrophysical probes. We review the usage of lensed SNe to constrain SN progenitors, acquire high-z SN spectra through lensing magnifications, infer SN sizes via microlensing, and measure properties of dust in galaxies. The current challenge in the field is the rarity and difficulty in finding lensed SNe. We describe various methods and ongoing efforts to find these spectacular explosions, forecast the properties of the expected sample of lensed SNe from upcoming surveys particularly the LSST, and summarize the observational follow-up requirements to enable the various scientific studies. We anticipate the upcoming years to be exciting with a boom in lensed SN discoveries.

研究动机与目标

• 综述强引力透镜和微透镜超新星作为宇宙学与天体物理学探针的当前状态与未来前景。
• 总结首次发现的强透镜化超新星及其对测量宇宙学参数（尤其是哈勃常数）的启示。
• 概述探测透镜化超新星的方法，并预测未来巡天（如LSST）的预期发现数量。
• 识别关键的后续观测需求，以最大化透镜化超新星事件的科学回报。
• 展示透镜化超新星如何实现对超新星前身星、高红移光谱、超新星光度大小及遥远星系中尘埃特性的独特研究。

提出的方法

• 利用透镜化超新星多重像之间的时间延迟，测量时延距离、透镜的角直径距离，以及Ia型超新星的 luminosity 距离。
• 应用新型时间延迟测量技术，结合光曲线、颜色曲线和光谱演化数据，在模拟与真实数据中均实现约1天的不确定性。
• 利用透镜放大效应，实现对高红移超新星（z > 1）的光谱观测，这对减少Ia型超新星光谱学中的系统误差至关重要。
• 利用微透镜光曲线推断不同波长和相位下超新星的物理尺寸。
• 通过分析透镜星系中多个视线路径，测量前景星系中尘埃消光及特性。
• 利用详细模拟与透镜模型，预测LSST巡天期间预期的透镜化超新星数量与特性，估算在巡天整个周期内可发现数十起事件。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何以高精度测量强透镜化超新星的时间延迟？这些测量能带来哪些宇宙学约束？
• RQ2 未来LSST巡天预计能发现多少透镜化超新星？其关键特性为何？
• RQ3 如何利用透镜化超新星探测超新星前身星的物理特性及超新星爆发早期阶段的特征？
• RQ4 超新星微透镜如何对不同波长下的超新星尺寸与结构提供约束？
• RQ5 如何利用单个超新星通过不同透镜路径的多个像，测量透镜星系中的尘埃特性？

主要发现

• 目前已知五组强透镜化超新星光学系统具有空间分辨图像：三组由星系团透镜，两组由单个星系透镜。
• 透镜化超新星的时间延迟测量可直接约束哈勃常数，SN Refsdal的时间延迟预计可提供具有竞争力的宇宙学约束。
• 预测LSST将发现约20例透镜化Ia型超新星，可在平坦ΛCDM宇宙学模型中将哈勃常数的测量精度提升至约1%。
• 超新星光变曲线中的微透镜效应可对不同波长下超新星的物理尺寸提供约束，从而揭示超新星膨胀机制与辐射过程的细节。
• 透镜放大效应使对z > 1红移的超新星实现光谱分类成为可能，这对减少Ia型超新星光谱学中的系统不确定性至关重要。
• 透镜化超新星光学系统中，通过多个不同透镜路径的视线，可测量高红移星系中尘埃消光定律及特性，其约束来自不同波长间放大率的差异。