[论文解读] The JWST Discovery of the Triply-imaged Type Ia "Supernova H0pe" and Observations of the Galaxy Cluster PLCK G165.7+67.0

Brenda Frye, Massimo Pascale+40 more|arXiv (Cornell University)|Sep 13, 2023

Gamma-ray bursts and supernovae被引用 4

一句话总结

本文报告了詹姆斯·韦布空间望远镜（JWST）在红移 z = 1.78 处发现一颗多重成像的 Ia 型超新星 SN H0pe，其由星系团 PLCK G165.7+67.0（z = 0.35）强引力透镜效应产生，三组清晰的像使时间延迟宇宙学测距成为可能。该研究构建了高精度透镜模型，得出总星系团质量为 (2.6 ± 0.3) × 10¹⁴ M⊙，并识别出围绕 SN H0pe 宿主星系的紧凑恒星形成星系群，为利用强引力透镜时间延迟测量哈勃常数 H₀ 提供了新途径。

ABSTRACT

A Type Ia supernova (SN) at $z=1.78$ was discovered in James Webb Space Telescope Near Infrared Camera imaging of the galaxy cluster PLCK G165.7+67.0 (G165; $z = 0.35$). The SN is situated 1.5-2 kpc from the host-galaxy nucleus and appears in three different locations as a result of gravitational lensing by G165. These data can yield a value for Hubble's constant using time delays from this multiply-imaged SN Ia that we call "SN H0pe." Over the cluster, we identified 21 image multiplicities, confirmed five of them using the Near-Infrared Spectrograph, and constructed a new lens model that gives a total mass within 600 kpc of ($2.6 \pm 0.3) imes 10^{14}$ $M_{\odot}$. The photometry uncovered a galaxy overdensity coincident with the SN host galaxy. NIRSpec confirmed six member galaxies, four of which surround the SN host galaxy with relative velocity $\lesssim$900 km s$^{-1}$ and projected physical extent $\lesssim$33 kpc. This compact galaxy group is dominated by the SN host galaxy, which has a stellar mass of $(5.0 \pm 0.1) imes 10^{11}$ $M_{\odot}$. The group members have specific star-formation rates of 2-260 Gyr$^{-1}$ derived from the H$α$-line fluxes corrected for stellar absorption, dust extinction, and slit losses. Another group centered on a strongly-lensed dusty star forming galaxy is at $z=2.24$. The total (unobscured and obscured) SFR of this second galaxy group is estimated to be ($\gtrsim$100 $M_{\odot}$ yr$^{-1}$), which translates to a supernova rate of $\sim$1 SNe yr$^{-1}$, suggesting that regular monitoring of this cluster may yield additional SNe.

研究动机与目标

• 利用多重成像 Ia 型超新星的时间延迟测量哈勃常数 H₀。
• 通过强引力透镜效应表征星系团 PLCK G165.7+67.0 及其质量分布。
• 研究 SN H0pe 的宿主环境，包括其紧凑星系群和恒星形成特性。
• 评估该区域在未来发现更多暂现源的潜力。
• 验证 JWST 数据在高精度时间延迟宇宙学测距中的应用。

提出的方法

• JWST 近红外相机（NIRCam）成像捕捉到强引力透镜星系团 G165 中的多重成像超新星 SN H0pe。
• 近红外光谱仪（NIRSpec）观测确认了 11 个星系团成员的红移和运动学特性，其中包括 6 个位于 SN 宿主星系群中的星系。
• 基于多个像的位置和红移数据，构建了新的强引力透镜模型，得出在 600 kpc 半径内星系团总质量为 (2.6 ± 0.3) × 10¹⁴ M⊙。
• 通过九个观测历元的测光分析，实现了对 SN H0pe 光变曲线的时间延迟估算。
• 通过校正尘埃消光、恒星吸收和狭缝损失，利用 Hα 辐射测量得到恒星形成率（SFR）。
• 将透镜模型与测光及光谱时间延迟估计结果结合，将在后续分析中约束 H₀（Pascale 等，2023 年）。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否利用强引力透镜星系团中多重成像 Ia 型超新星的时间延迟来测量哈勃常数 H₀？
• RQ2 基于多重像系统，PLCK G165.7+67.0 星系团的质量分布如何？
• RQ3 宿主 SN H0pe 的紧凑星系群的物理特性和恒星形成特征是什么？
• RQ4 星系团环境中较高的恒星形成率如何影响发现更多暂现源的可能性？
• RQ5 SN H0pe 的光谱确认状态和分类是否为 Ia 型超新星？

主要发现

• SN H0pe 是一颗红移 z = 1.78 的 Ia 型超新星，由于星系团 G165（z = 0.35）的强引力透镜效应，在三个不同位置被观测到。
• 基于 21 个像多重性及 5 个已确认像的新型透镜模型，测得星系团在 600 kpc 内的总质量为 (2.6 ± 0.3) × 10¹⁴ M⊙。
• 以 SN 宿主星系为中心的紧凑星系群在投影方向上的尺度不超过 ≲33 kpc，其恒星质量为 (5.0 ± 0.1) × 10¹¹ M⊙。
• 星系群成员的单位质量恒星形成率在 2–260 Gyr⁻¹ 范围，表明存在持续或近期的恒星形成活动，宿主星系可能正处于从活跃向宁静状态过渡的阶段。
• 另一处更遥远的星系群位于 z = 2.24，总恒星形成率为 ≳100 M⊙ yr⁻¹，暗示超新星发生率约为 ∼1 颗/年，表明该区域具有较高的暂现源发现潜力。
• NIRSpec 光谱数据确认 SN 为 Ia 型超新星，其光谱时间延迟将在后续研究中测量（Chen 等，2023 年）。