重力レンズ天文学の進展
大栗 真宗
東京大学大学院理学系研究科附属ビッグバン宇宙国際研究センター

2019/3/16 天文学会春季年会@法政大今回の話• 受賞対象となった研究はいくつかありますが、その中の新種の時間変動重力レンズの発見について紹介をします

来週オンエア!

時間の遅れ• 複数像の到達時刻の遅れにより、絶対距離(ハッブル定数 H0) の測定が可能 (Refsdal 1964)• クエーサー重力レンズをもちいたH0 測定は”H0 tension”もあり最近特に注目
image A
ΔtAB=ΔtA−ΔtB

ΔtA

sourceΔtB
image B

S. Refdal, MNRAS 128(1964)307• 時間の遅れ
でH0を決める手法を初めて提案した論文• 実は超新星の重力レンズが考えられていた!

超新星重力レンズはなぜ面白い？

• Ia型の場合には増光率の直接測定が可能→ H0-質量分布縮退を破る (MO & Kawano 2003)• 複数像の出現時期予測 (MO, Suto & Turner 2003)• 既知の光度曲線による時間の遅れ精密測定• 超新星母銀河を使った質量モデル改善

MO & Marshall MNRAS 405(2010)2579

expected number of detected lensed SNe (type Ia and core collapse) in various time-domain surveys
separation θmin = (2/3)θPSF for all surveys. The numbers of non-lensed sources detectable in the survey
rcentages in parentheses indicate the fraction of quad lenses. For lensed SNe, we adopt the peak ma− 0.7 in actual calculations so that the lightcurves of lensed SN images can well be traced.

超新星重力レンズの理論予測
SN (Ia)SN (cc)SurveyNnonlens

Nlens

Nnonlens

Nlens

SDSS-II
SNLS
PS1/3πPS1/MDS
DES/wide
DES/deep
HSC/deep
JDEM/SNAPa
LSST

4.34 × 102
7.52 × 102
3.34 × 104
2.93 × 103
8.30 × 104
8.95 × 102
1.10 × 103
1.36 × 104
1.39 × 106

0.003 (54%)
0.03 (24%)
0.28 (53%)
0.09 (32%)
2.7 (29%)0.04 (22%)
0.06 (18%)
2.9 (13%)45.7 (32%)

1.09 × 103
1.44 × 103
8.23 × 104
6.05 × 103
1.62 × 105
1.80 × 103
2.56 × 103
5.39 × 104
2.88 × 106

0.01 (40%)
0.05 (26%)
0.97 (39%)
0.16 (30%)
4.9 (29%)0.07 (24%)
0.13 (21%)
12.0 (18%)
83.9 (30%)

Notedetections only
detections only

i-band, we adopt an H-band magnitude limit of Hlim = 26.8 to predicted the number of (lensed) SNe,space will be done in the near-infrared to optimise the number of high-redshift SN sources.

• Pan-STARRSで初発見？
• LSSTでは多数 (>100) 発見できる

AS 000, 1–17

超新星 PS1-10afx の発見• 非常に明るく赤い特異な超新星 (z=1.388) が2010年8月31日に発見される• Pan-STARRSチームは新種の超高輝度超新星と結論

Chornock+2013

PS1-10afx 発見論文が出た後…

• 超高輝度超新星の専門家であるIPMU
ポスドク (当時) の Robert Quimby が興味を持ちデータを自分でチェック• データを見ると PS1-10afx はどうもIa型超新星に似ているようだ…

• IPMUでの議論を元に新しいシナリオを提唱

Quimby, Werner, MO+ ApJ 768(2013)L20

PS1-10afx のIa型解釈
6スペクトルSi II ‘4000’

Si II ‘6150’

Sep 11 (−5.4 d)

4SN 1992A −5 dFlux (fλ + constant)20

Sep 18 (−2.5 d)

SN 1998bu −4 d

Sep 26 (+0.8 d)

光度曲線
−2

• 普通のIa型超新星が重力レンズで約30倍に増光されていれば説明可能

SN 1989b −5 d

Sep 28 (+1.6 d)−4SN 1998aq +1 d

2000

3000

4000
5000
Rest Wavelength (A)

6000

7000

批判：レンズ銀河は何処？

• 超新星爆発前の画像を見ても銀河は一つだけ• 我々はこの銀河が実は超新星母銀河と手前のレンズ銀河が重なったものとの仮説を立てた• 2013年9月7日のケック望遠鏡の6.5時間の分光観測でこの仮説を検証

CFHTLS image

Quimby, MO+ Science 344(2014)396

レンズ銀河の検出
lensing galaxy[OII] at z=1.117

SN host[OII] at z=1.388• 手前の銀河を検出し重力レンズであることを証明！

重力レンズ超新星の初発見

credit: Kavli IPMU

• PS1-10afxは超新星の強い重力レンズの初発見• ただし、複数像を分離できたわけではないので間接的な発見である

Kelly+ Science 347(2015)1123

SN Refsdal の発見• 楕円銀河の周りに4つの超新星像 (z=1.49)

Fig. S1: Images of the lensing system from archival HST WFC3-IR observations in theF140W filter. All exposures obtained prior to 3 November 2014 show no evidence forvariability at any of the positions associated with SN Refsdal.

→ 初の複数像が分離された超新星重力レンズ

Supporting Online Material
Previous and Future Appearances of SN Refsdal in Multiple Images of its
Host Galaxy Our cluster lens model (27 ) predicts that SN Refsdal might have appeared超新星母銀河• レンズ銀河は銀河
団 MACS J1149(z=0.54) のメンバ銀河• 超新星母銀河自体が銀河団レンズで三つ(四つ)に分裂• さらなる超新星像が存在？

hubblesite.org

MO MNRAS 449(2015)L86• 直後の解析では4つの観測された超新星像以外に2つの像を予言• 一つ(SX)は~1年後、もう一つ(SY)は~17年前に出現した• SXについては今後の観測で検証可能！
(falsifiable!)
S1
SY
SY (~17年前)

SX
SX (~1年後)

S2
S3
S4

S1−S4 (現在)

時間の遅れの予言 (競争？)2014年11月23日 Kelly et al. arXiv:1411.6009 (発見論文)

時間の遅れの予言 (競争？)2014年11月23日 Kelly et al. arXiv:1411.6009 (発見論文)
2014年11月24日 Oguri arXiv:1411.6443
SXは360日後に出現

時間の遅れの予言 (競争？)2014年11月23日 Kelly et al. arXiv:1411.6009 (発見論文)
2014年11月24日 Oguri arXiv:1411.6443
SXは360日後に出現
2014年11月25日 Sharon & Johnson arXiv:1411.6933v1
SXは1330日後に出現

時間の遅れの予言 (競争？)2014年11月23日 Kelly et al. arXiv:1411.6009 (発見論文)
2014年11月24日 Oguri arXiv:1411.6443
SXは360日後に出現
2014年11月25日 Sharon & Johnson arXiv:1411.6933v1
SXは1330日後に出現
2015年02月03日 Sharon & Johnson arXiv:1411.6933v2
SXは240日後に出現

時間の遅れの予言 (競争？)2014年11月23日 Kelly et al. arXiv:1411.6009 (発見論文)
2014年11月24日 Oguri arXiv:1411.6443
SXは360日後に出現
2014年11月25日 Sharon & Johnson arXiv:1411.6933v1
SXは1330日後に出現
2015年02月03日 Sharon & Johnson arXiv:1411.6933v2
SXは240日後に出現
2015年04月22日 Diego et al. arXiv:1504.05953
SXは380日後に出現
2015年09月30日 Jauzac et al. arXiv:1509.08914v1
SXは530日後に出現……
質量モデルの違いに起因Treu, …, MO+ ApJ 817(2016)60

比較プロジェクト

• 多くの追観測データを加え同じ条件で質量モデリングを行い結果の比較をする• 参加したグループ− WSLAP+ (Diego, Broadhurst)− GLEE (Grillo, Suyu, Halkola, et al.)− glafic (MO, Kawamata, Ishigaki)− Lenstool (Sharon, Johnson)− LTM (Zitrin)http://www.slac.stanford.edu/~oguri/glafic/

image plane (θi) source plane (βi)

glafic• 重力レンズ解析のための公開ソフトウェア• 適合格子を用いた効率的なレンズ方程式解き• 質量モデリングのための様々な機能 (e.g. MCMC)• 興味/質問のある人は私まで

HST cycle 23 monitoring (PI: P. Kelly)

October 2015

HST cycle 23 monitoring (PI: P. Kelly)

December 2015

時系列

• 観測からSXの出現時期は~350日後と判明 (Kelly+2016)• 我々の予言とよく一致！
• 銀河団内のダークマター分布の我々の理解が概ね正しいことがわかった

SX出現時期Kelly, …, MO+ Nat. Ast. 2(2018)334

Caustic-Crossing
Event
謎の変動天体イカロスの発見

Discovered
Discovered inin latelateApril
April“RefsdalRedux”“RefsdalRedux” program
program toto searchsearch forfor reappearance
reappearance20112011SN
SNRefsdal
Refsdal
出現した
Reappearance
Reappearance

5ʺ5ʺ

超新星像

F125W
F125W(J)(J)

2011年のハッブル宇宙望遠鏡画像

Late
Late MayMay 2016
2016

2016年のハッブル宇宙望遠鏡画像

Considered
Considered first
first byby (Jordi)(Jordi) Miralda-Escude
Miralda-Escude (1991)(1991)

Kelly, …, MO+ Nat. Ast. 2(2018)334

Caustic-Crossing
Event
謎の変動天体イカロスの発見

Discovered
Discovered inin late
lateApril
April“RefsdalRedux”“RefsdalRedux” program
program toto searchsearch forfor reappearance
reappearance

新しい変動天体

2011
2011
SN
SNRefsdal
Refsdal
出現した
Reappearance
Reappearance

5ʺ5ʺ

超新星像

F125WF125W(J)(J)

2011年のハッブル宇宙望遠鏡画像

Late
Late MayMay 20162016

2016年のハッブル宇宙望遠鏡画像

Considered
Considered first
first byby (Jordi)(Jordi) Miralda-Escude
Miralda-Escude (1991)(1991)

スペクトル
2000

6000

0.08
Underlying Point Source
Flux Excess May 2016 (rescaled;2• z=1.49のバルマー=1.5)

Flux (µJy)

0.06

270.04

不連続Magnitude (AB)1000

Rest Wavelength (Å)
3000
4000
5000

• 超新星爆発とは

27.5
280.02Model Stellar Spectra:
T =11180K log g=2 AV =0.02 mag MW

0.00

2=16.3

T =12250K log g=4 AV =0.08 mag MW

2=30.6

T =12375K log g=2 AV =0.08 mag SMC

2=12.9

T =13591K log g=4 AV =0.13 mag SMC

2=16.5

28.5
2930

不一致

• B型星とよく一致

0.02
2000

4000

6000

8000
10000
12000
Observer Wavelength (Å)

14000

16000

Fig. 2: The SEDs of LS1 measured in 2013–2015 (red) and of the rescaled, excess flux
density at LS1’s position close to its May 2016 peak (Lev 2016A; black) are consistent.
Rescaling the SED of the flux excess to match to that of the 2013–2015 source yields‰2‹ = 1.5, indicating that they are statistically consistent with each other despite a fluxdensity difference of a factor of ≥ 3–4. The SED shows a strong Balmer break consistent

光度曲線

Flux0.50.02012

2014

2016

Year

• 次第に明るくなり、その後急激に暗くなる• 明るさのピーク付近で~10日くらいの急激な変化

解釈
銀河団内のダークマター

観測者

B型星(z=1.49)

銀河団内の星 (ICL)

重力レンズ効果• 銀河団内のダークマターの重力レンズで増光してさらに銀河団内の星でも重力レンズ増光• 焦線通過 (caustic crossing) による超高増光gifアニメファイル: http://www-utap.phys.s.u-tokyo.ac.jp/~oguri/img-j.html

焦線通過 (caustic crossing)image: 実際に観測← 観測の分解能が足りないため像の形状source: 重力レンズ効果がなかった場合に観測は観測不可能← 星の明るさの時間変動で重力レンズ効果を観測重力レンズされた遠方天体の大きさ
明るさ

時間 t

• ピーク付近の明るさの変化は増光される遠方天体の大きさで決まる
Rt⇠v

R: 天体の大きさ
v: 移動速度 (~500km/s)<latexit sha1_base64="C82FlIE7ZRyhn/4aVo20cKt6/os=">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</latexit>• 今回の観測ではt~10日
時間 • 推定される大きさはR ~ 200 R⊙

単独の星の大きさ!

Kelly, …, MO+ Nat. Ast. 2(2018)334

イカロスの発見• z=0.54 の銀河団の背後にある z=1.49 の単独の星「イカロス」を発見した• 最大4000倍程度の大幅な重力レンズ増光• 単独の星の観測の最遠方記録を大幅に更新した

MO, Diego, Kaiser+ PRD 97(2018)023518

PBHダークマターの制限
全ダークマターに対するPBHの割合

重力波で発見されたブラックホール

イカロス観測によって棄却

the robust iclue may b
curves beforin order tomatter fromray-tracing
compact datracing simu
kind light c

VII.

PBHの質量 (太陽質量との比)
FIG. 7: Constraints on the mass (M ) and abundance (fp ) ofIn this pa
model thatconvergenceing propert

まとめ• 長らく発見が期待されていた超新星重力レンズの初発見に幸運にも貢献できました• 偶然にも単独の星が超増光重力レンズで観測される新現象も発見されましたが、その解釈にも寄与できました• 今後も様々な「発見」に出会えるよう精進した
いと思います• ありがとうございました