[论文解读] The Next Generation of Cosmological Measurements with Type Ia Supernovae

D. Scolnic, S. Perlmutter+57 more|arXiv (Cornell University)|Mar 12, 2019

Gamma-ray bursts and supernovae参考文献 58被引用 7

一句话总结

本文概述了Ia型超新星（SNe Ia）在下一代宇宙学中的变革性潜力，利用LSST和WFIRST等未来巡天项目，使SNe Ia的探测数量实现数量级的提升（在高红移处最高可达1000倍）。文章详细说明了如何通过提升统计能力并结合先进的系统误差控制，实现对暗能量、哈勃常数$σ_8$以及宇宙学参数的精确测量，方法包括强引力透镜效应，同时光谱和测光技术增强了距离测量的准确性并缓解系统误差。

ABSTRACT

While Type Ia Supernovae (SNe Ia) are one of the most mature cosmological probes, the next era promises to be extremely exciting in the number of different ways SNe Ia are used to measure various cosmological parameters. Here we review the experiments in the 2020s that will yield orders of magnitudes more SNe Ia, and the new understandings and capabilities to constrain systematic uncertainties at a level to match these statistics. We then discuss five different cosmological probes with SNe Ia: the conventional Hubble diagram for measuring dark energy properties, the distance ladder for measuring the Hubble constant, peculiar velocities and weak lensing for measuring sigma8 and strong-lens measurements of H0 and other cosmological parameters. For each of these probes, we discuss the experiments that will provide the best measurements and also the SN Ia-related systematics that affect each one.

研究动机与目标

• 通过利用具有前所未有的统计能力的未来巡天项目，实现利用Ia型超新星（SNe Ia）进行下一代宇宙学测量。
• 将SNe Ia距离测量中的系统不确定性降低至与新巡天项目带来的统计精度相匹配的水平。
• 将宇宙学探针从标准哈勃图扩展至包括特殊速度、弱引力透镜和强引力透镜时间延迟。
• 整合多波段和多仪器数据（成像、光谱、光谱测光）以改善SNe Ia的分类和距离校准。
• 利用高红移和本地SNe Ia样本，实现对暗能量、哈勃常数$σ_8$以及引力模型的稳健约束。

提出的方法

• 利用ZTF、ASAS-SN、DES、LSST、WFIRST和JWST等未来巡天项目，在$0 < z < 2$红移范围内收集数十万例SNe Ia。
• 通过将宇宙学模型拟合到SNe Ia距离模数与红移的关系，应用传统的哈勃图方法，使用测光和光谱样本。
• 采用像素化光谱测光技术提取精细光谱特征，提高距离测量精度并减少尘埃和宿主星系演化带来的系统误差。
• 结合成像与光谱：利用成像测量光变曲线，利用光谱测定红移和SNe Ia分类，提升分类的可靠性。
• 通过与星系红移巡天的交叉相关，探测SNe Ia星等上的特殊速度和弱引力透镜效应。
• 利用强引力透镜SNe Ia（如LSST和WFIRST所探测的）测量时间延迟，并通过时间延迟宇宙学方法直接约束$H_0$。

实验结果

研究问题

• RQ1 下一代SNe Ia巡天（如LSST、WFIRST）如何在现有极限之外提升对暗能量的约束？
• RQ2 为匹配未来巡天项目带来的统计能力，SNe Ia距离测量中必须控制哪些系统误差？
• RQ3 SNe Ia的特殊速度和弱引力透镜效应在多大程度上可约束$σ_8$和引力模型？
• RQ4 强引力透镜SNe Ia如何提供对哈勃常数$H_0$的直接、独立测量？
• RQ5 光谱测光技术在减少宿主星系环境和尘埃带来的系统误差方面发挥什么作用？

主要发现

• 预计未来巡天项目将在中等红移（$z \sim 0.5$）处使SNe Ia数量增加300倍，在高红移（$z \sim 1.5$）处增加1000倍，主要得益于LSST和WFIRST。
• 测光与光谱数据的结合，尤其是像素化光谱测光技术，能够更精细地区分SNe Ia，减少宿主环境和尘埃带来的系统误差。
• 强引力透镜SNe Ia（如SN Requiem和iPTF16geu）可通过时间延迟宇宙学方法实现对$H_0$的直接测量，潜在精度达到百分之一水平。
• 通过哈勃图中的离散性，可探测SNe Ia星等上的弱引力透镜效应，从而在高红移处获得对$σ_8$的新约束。
• 将大规模测光样本（如DES和LSST所获）与光谱确认的SNe Ia结合，可提升统计稳健性并减少宇宙学拟合中的偏差。
• 未来任务如LUVOIR或OST可将哈勃图延伸至$z \approx 5$，使SNe Ia能够探测早期宇宙。