像素化星系团强透镜建模显著提升哈勃常数限制精度——利用透镜超新星测量宇宙膨胀率的新突破
近日，中国科学院上海天文台牵头的国际合作团队在英国皇家天文学会月报（Monthly Notices of the Royal Astronomical Society）上发表了题为《CURLING II: Improvement of the H0 Inference from Pixelized Cluster Strong Lens Modeling》的最新研究成果。该工作首次系统展示了在星系团尺度下引入像素化强透镜建模方法后，对宇宙膨胀率——哈勃常数（H0）推断精度的显著提升，为通过强引力透镜超新星精确测定宇宙距离尺度提供了新的技术途径。
精确测量H0的全新突破口
哈勃常数描述宇宙当前的膨胀速率，是现代宇宙学的核心参数之一。然而，来自早期宇宙（如微波背景辐射）与晚期宇宙（如Ia型超新星）的测量结果长期存在超过5σ的不一致，即著名的“H0 tension”。寻找独立且高精度的测量途径，已成为破解这一宇宙学难题的关键。
强引力透镜超新星（图 1）通过多重像间的时间延迟直接测定宇宙距离，从而独立推断H0。这一方法不依赖传统的“宇宙距离阶梯”，理论上可提供极高精度的宇宙学约束。然而，该方法目前的主要限制在于透镜星系团质量建模的不确定性。
图1 强引力透镜超新星示意图：星系团MACS J0138.0-2155中的SN Encore
图源：NASA,ESA,CSA,STScI,Justin Pierel (STScI),Andrew Newman (CIS)
“像素化建模”方法带来数量级精度提升
研究团队在CURLING项目第一阶段（Xie等人2024）基础上，进一步发展了像素化强透镜建模框架，以模拟星系团MACS J0138.0-2155中类似“Requiem”超新星的多像系统为例，对比了传统点源建模与像素化方法的H0推断效果。
结果显示：像素化建模将误差压缩至±0.8 km/s/Mpc，精度提升超过十倍。
这表明，在詹姆斯·韦伯空间望远镜（James Webb Space Telescope,JWST）等高分辨率观测数据支持下，充分利用透镜效应产生的弧状多像系统的表面亮度信息可显著减少建模系统误差，使得强透镜超新星成为潜在的高精度宇宙学探针。
模拟验证未来观测潜力
研究结合未来巡天设施的观测特性进行了模拟：在地面望远镜Rubin Observatory Legacy Survey of Space and Time (LSST) 条件下，时间延迟测量误差约为1.5%；在空间设备中国空间站巡天望远镜-多通道成像仪（Chinese Survey Space Station Telescope-Multi-Channel Imager,CSST-MCI）条件下，时间延迟测量精度进一步提高，像素化建模结合MCI观测可将H0误差压至0.1 km/s/Mpc水平。
这一结果表明，透镜建模的不确定性已成为H0测量的主要瓶颈。未来通过高分辨率成像与像素化透镜建模相结合，有望实现百分之一量级的H0精度测量。
迈向“像素化星系团分析”的新时代
论文第一作者、中国科学院上海天文台博士谢雨杉表示：“像素化建模让我们得以充分利用强透镜弧的全部信息，而不仅仅依赖其位置信息。这是强透镜星系团研究迈向精确宇宙学的关键一步。”
通讯作者、上海天文台研究员陕欢源补充道：“随着JWST、Euclid与中国空间站巡天望远镜CSST的投入使用，我们正处在强引力透镜研究的黄金时代。该成果展示了未来在强透镜超新星样本积累后实现精确宇宙学测量的巨大潜力。”
该工作得到了科技部重点研发专项，国家自然科学基金委，中国载人航天工程巡天空间望远镜专项科学研究等项目的支持。
论文链接：https://doi.org/10.1093/mnras/staf1740
科学联系人：
谢雨杉 ysxie@shao.ac.cn
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