[論文レビュー] A Comprehensive Measurement of the Local Value of the Hubble Constant with 1 km/s/Mpc Uncertainty from the Hubble Space Telescope and the SH0ES Team

Adam G. Riess, Wenlong Yuan+16 more|arXiv (Cornell University)|Dec 8, 2021

Gamma-ray bursts and supernovae被引用数 194

ひとこと要約

この論文は、HST、Gaia、メーザー/LMC/MW のアンカーを用いて 42 の SN Ia 宿主におけるセファイドを分析することで、1 km/s/Mpc の不確かさを伴う局所的な H0 の決定を提示し、広範な解析バリアントを検討する。

ABSTRACT

We report observations from HST of Cepheids in the hosts of 42 SNe Ia used to calibrate the Hubble constant (H0). These include all suitable SNe Ia in the last 40 years at z<0.01, measured with >1000 orbits, more than doubling the sample whose size limits the precision of H0. The Cepheids are calibrated geometrically from Gaia EDR3 parallaxes, masers in N4258 (here tripling that Cepheid sample), and DEBs in the LMC. The Cepheids were measured with the same WFC3 instrument and filters (F555W, F814W, F160W) to negate zeropoint errors. We present multiple verifications of Cepheid photometry and tests of background determinations that show measurements are accurate in the presence of crowding. The SNe calibrate the mag-z relation from the new Pantheon+ compilation, accounting here for covariance between all SN data, with host properties and SN surveys matched to negate differences. We decrease the uncertainty in H0 to 1 km/s/Mpc with systematics. We present a comprehensive set of ~70 analysis variants to explore the sensitivity of H0 to selections of anchors, SN surveys, z range, variations in the analysis of dust, metallicity, form of the P-L relation, SN color, flows, sample bifurcations, and simultaneous measurement of H(z). Our baseline result from the Cepheid-SN sample is H0=73.04+-1.04 km/s/Mpc, which includes systematics and lies near the median of all analysis variants. We demonstrate consistency with measures from HST of the TRGB between SN hosts and NGC 4258 with Cepheids and together these yield 72.53+-0.99. Including high-z SN Ia we find H0=73.30+-1.04 with q0=-0.51+-0.024. We find a 5-sigma difference with H0 predicted by Planck+LCDM, with no indication this arises from measurement errors or analysis variations considered to date. The source of this now long-standing discrepancy between direct and cosmological routes to determining the Hubble constant remains unknown.

研究の動機と目的

• セファイド−SN Ia 距離はしごを用いて、局所的な膨張率 H0 を体系的誤差を最小化して定量化する。
• 幾何学的アンカー（Gaia のパララックス、NGC 4258 のメーザー、LMC DEB）を用いてセファイド光度を較正する。
• SN Ia の絶対等級とハubble-flow の SN サンプルを相互較正して H0 を導く。
• アンカー、SN 調査、赤方偏移範囲、塵/金属量の扱いの ~70 種類の解析バリアントを評価して頑健性を評価する。

提案手法

• SN Ia 宿主のセファイドを、校正済み SN Ia の等級へ結ぶ3段の距離はしごを定式化する。
• Wesenheit 程度を用いてセファイドの reddening を除去し、セファイド光度を mH^W = μ0 + MH,1^W + bW(log P − 1) + ZW[O/H] とモデル化する。
• 共分散を考慮した χ2 目的関数を用いた線形代数フレームワークで、H0、SN Ia 光度、および Cepheid の標準化パラメータを同時にフィットする。
• 幾何学的距離 priors（NGC 4258、MW、LMC）を組み込み、SN データと宿主特性間の共分散を含める。
• 局所的な H0 を高赤方偏移の SN Ia 制約と比較し、任意で TRGB アンカーを含めて整合性を検証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 広範なアンカーを含む拡張された Cepheid–SN Ia 距離はしごを用いた場合の局所的な H0 の値はいくらか？
• RQ2 幾何学的アンカー（Gaia、NGC 4258、LMC）と SN 系の系統誤差が H0 の不確かさと中心値にどう影響するか？
• RQ3 得られた H0 は TRGB に基づく推定値および Planck ΛCDM の予測とどれくらい整合しているか？
• RQ4 アンカー選択、塵/金属量の扱い、P-L 関係の形、および SN フィットのバリアントの変動に対して H0 はどれだけ頑健か？
• RQ5 高赤方偏移の SN Ia を含めることが、推定される膨張史（q0）と H0 に与える影響は何か？

主な発見

• セファイド–SN Ia サンプルからの基準値 H0 は 73.04 ± 1.04 km s−1 Mpc−1（系統誤差を含む）。
• TRGB アンカーを含めると H0 = 72.53 ± 0.99 km s−1 Mpc−1。
• 高赤方偏移の SN Ia を含めると H0 = 73.30 ± 1.04 km s−1 Mpc−1 かつ q0 = −0.51 ± 0.024。
• 結果は Planck CMB ΛCDM の予測と約5σの差を示し、測定不確実性や解析変種からこの不一致が生じたという証拠はない。