[論文レビュー] A Redetermination of the Hubble Constant with the Hubble Space Telescope from a Differential Distance Ladder

Adam G. Riess, Macri, Lucas+9 more|May 5, 2009

Cosmology and Gravitation Theories被引用数 34

ひとこと要約

本論文は、6つのIa型超新星の母銀河およびメーザー距離銀河NGC 4258におけるCepheid変光星のハッブル宇宙望遠鏡観測を用いて、一様な近赤外光度測定を用いた差分距離階段法により、Hubble定数の高精度測定を提示する。この手法により系統誤差を低減し、結果として $ H_0 = 74.2 \pm 3.6 $ km s⁻¹ Mpc⁻¹ の測定値が得られ、不確実性は4.8%にまで低下し、高赤方偏移データに依存しない形で、ダークエネルギーの状態方程式 $ w = -1.12 \pm 0.12 $ に対する制約が強化された。

ABSTRACT

We report observations of 240 Cepheid variables obtained with the Near Infrared Camera (NICMOS) through the F160W filter on the Hubble Space Telescope (HST). The Cepheids are distributed across six recent hosts of Type Ia supernovae (SNe Ia) and the "maser galaxy" NGC 4258, allowing us to directly calibrate the peak luminosities of the SNe Ia from the precise, geometric distance measurements provided by the masers. New features of our measurement include the use of the same instrument for all Cepheid measurements across the distance ladder and homogeneity of the Cepheid periods and metallicities thus necessitating only a differential measurement of Cepheid fluxes and reducing the largest systematic uncertainties in the determination of the fiducial SN Ia luminosity. The NICMOS measurements reduce differential extinction in the host galaxies by a factor of 5 over past optical data. Combined with an expanded of 240 SNe Ia at z<0.1 which define their magnitude-redshift relation, we find H_0=74.2 +/-3.6, a 4.8% uncertainty including both statistical and systematic errors. We show that the factor of 2.2 improvement in the precision of H_0 is a significant aid to the determination of the equation-of-state of dark energy, w = P/(rho c^2). Combined with the WMAP 5-year measurement of Omega_M h^2, we find w= -1.12 +/- 0.12 independent of high-redshift SNe Ia or baryon acoustic oscillations (BAO). This result is also consistent with analyses based on the combination of high-z SNe Ia and BAO. The constraints on w(z) now with high-z SNe Ia and BAO are consistent with a cosmological constant and improved by a factor of 3 from the refinement in H_0 alone. We show future improvements in H_0 are likely and will further contribute to multi-technique studies of dark energy.

研究の動機と目的

• 同一の機器および観測条件を用いた差分距離階段法を採用することで、Hubble定数の測定における系統誤差を低減すること。
• ハッブル宇宙望遠鏡のNICMOS機器を全Cepheid観測で一貫して使用することで、キャリブレーション誤差を最小限に抑え、$ H_0 $ の精度を向上させること。
• 独立した銀河系Cepheid星のパララックス測定を用いて、NGC 4258のメーザーに基づく幾何的距離が距離階段法の主要アンカーとしての妥当性を検証すること。
• 改良された $ H_0 $ をウィリアムソンマイクロ波アンイゾトロピー探査機（WMAP）5年分のデータと組み合わせることで、ダークエネルギーの状態方程式 $ w $ に対する制約を強化すること。
• 1%の $ H_0 $ 測定が、他のプローブが系統誤差に制限される場合でも、マルチテクニックなダークエネルギー研究を顕著に改善できる可能性を示すこと。

提案手法

• ハッブル宇宙望遠鏡の近赤外カメラおよびマルチオブジェクトスペクトロメータ（NICMOS）を用いて、6つのIa型超新星の母銀河およびNGC 4258の240個のCepheid変光星を、$ F160W $ フィルタで観測し、光度測定の一貫性を確保する。
• 周囲のメーザーからの幾何的距離を用いてNGC 4258の距離を決定し、これを直接的にIa型超新星のピーク光度のキャリブレーションに用いる。
• 同じ機器およびフィルタを用いることで、差分光度測定を実施し、消光およびゼロポイントキャリブレーションの系統誤差を最小限に抑える。
• 近赤外観測により、光学データと比較して差分消光効果を約5倍低減し、消光に起因する系統誤差を大幅に低減する。
• 240個の近距離Ia型超新星（$ z < 0.1 $）のデータとCepheidに基づく距離を組み合わせ、明るさ-赤方偏移関係を構築し、線形回帰の切片から $ H_0 $ を導出する。
• ハッブル精度誘導センサを用いた銀河系Cepheid星10個の独立したパララックス測定を用いて、メーザー距離アンカーの妥当性と頑健性を検証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 同一の機器および近赤外光度測定を用いた差分距離階段法が、Hubble定数の測定における系統誤差を低減できるか。
• RQ2 前例の光学ベースの手法と比較して、NGC 4258の幾何的メーザー距離を主アンカーとして用いることで、$ H_0 $ の精度がどの程度向上するか。
• RQ3 高赤方偏移データに依存しない形で、改良された $ H_0 $ 測定がダークエネルギーの状態方程式 $ w $ に対する制約をどの程度強化するか。
• RQ4 近赤外観測による差分消光の低減が、距離階段法全体の不確実性に及ぼす影響は何か。
• RQ5 将来的に $ H_0 $ を1%の精度で測定できる場合、バリアン・アコースティック・オシレーションや高赤方偏移超新星などの他のダークエネルギープローブの系統誤差を補填できるか。

主な発見

• Hubble定数は $ H_0 = 74.2 \pm 3.6 $ km s⁻¹ Mpc⁻¹ と測定され、統計的および系統的誤差を含めた不確実性が4.8%にまで低下した。
• 全Cepheid観測で同一の機器（NICMOS）およびフィルタ（$ F160W $）を用いることで、差分測定が可能となり、ゼロポイント誤差が最小限に抑えられ、系統誤差が低減された。
• 近赤外光度測定により、光学データと比較して差分消光効果が約5倍低減され、距離精度が顕著に向上した。
• 銀河系Cepheid星の独立したパララックス測定との整合性から、NGC 4258のメーザー距離が頑健なアンカーとしての妥当性が裏付けられた。
• 改良された $ H_0 $ をWMAP 5年分のデータと組み合わせることで、$ w = -1.12 \pm 0.12 $ が得られ、高赤方偏移SNe Iaやバリアン・アコースティック・オシレーションに依存しない結果であり、宇宙定数と整合的であった。
• 改良された $ H_0 $ の精度により、$ w(z) $ に対する制約が3倍強化され、今後の $ H_0 $ 測定が1%の精度に達すれば、マルチプローブダークエネルギー研究に顕著な貢献が期待されることが示唆された。