[論文レビュー] A Uniform Type Ia Supernova Distance Ladder with the Zwicky Transient Facility: Absolute Calibration Based on the Tip of the Red Giant Branch (TRGB) Method

Suhail Dhawan, A. Goobar+22 more|arXiv (Cornell University)|Mar 8, 2022

Gamma-ray bursts and supernovae被引用数 1

ひとこと要約

本論文は、赤色巨星回折の端（TRGB）法を用いて、ホスト銀河や光度校正バイアスを最小限に抑えるために、Zwicky Transient Facility（ZTF）を用いて均一なIa超新星距離階段を提案する。SN 2021rhuを含むNGC7814のTRGB距離と、体積制限付きZTFハッブルフロー標本を用い、H₀ = 76.94 ± 6.4 km s⁻¹ Mpc⁻¹を導出し、ハッブル不一致を解消するための1.8%精度の測定への道筋を示している。

ABSTRACT

The current Cepheid-calibrated distance ladder measurement of $H_0$ is reported to be in tension with the values inferred from the cosmic microwave background (CMB), assuming standard cosmology. However, some tip of the red giant branch (TRGB) estimates report $H_0$ in better agreement with the CMB. Hence, it is critical to reduce systematic uncertainties in local measurements to understand the Hubble tension. In this paper, we propose a uniform distance ladder between the second and third rungs, combining SNe~Ia observed by the Zwicky Transient Facility (ZTF) with a TRGB calibration of their absolute luminosity. A large, volume-limited sample of both calibrator and Hubble flow SNe~Ia from the \emph{same} survey minimizes two of the largest sources of systematics: host-galaxy bias and non-uniform photometric calibration. We present results from a pilot study using existing TRGB distance to the host galaxy of ZTF SN~Ia SN 2021rhu (aka ZTF21abiuvdk) in NGC7814. Combining the ZTF calibrator with a volume-limited sample from the first data release of ZTF Hubble flow SNe~Ia, we infer $H_0 = 76.94 \pm 6.4\, { m km}\,{ m s^{-1}}\,{ m Mpc^{-1}}$, an $8.3 \%$ measurement. The error budget is dominated by the single object calibrating the SN~Ia luminosity in this pilot study. However, the ZTF sample includes already five other SNe~Ia within $\sim$ 20 Mpc for which TRGB distances can be obtained with HST. Finally, we present the prospects of building this distance ladder out to 80 Mpc with JWST observations of more than one hundred ZTF SNe~Ia.

研究の動機と目的

• 同一の調査を用いて均一な距離階段を構築することで、局所的H₀測定におけるシステムティック不確実性を低減すること。
• 同じ調査から得た体積制限付きSNe Ia標本を用いることで、ホスト銀河バイアスと光度校正の不一致を最小限に抑えること。
• Cepheid変星よりもホスト環境に敏感でないTRGB法を用いて、Ia超新星の絶対等級を校正すること。
• 標準的宇宙論的モデル内でのハッブル不一致のテストが可能な、正確で独立したH₀の測定を可能にすること。
• JWSTを用いた100個以上のZTF SNe IaのTRGB距離測定を活用して、距離階段を80 Mpcまで拡張する基盤を築くこと。

提案手法

• Zwicky Transient Facility（ZTF）を用いて、同じ光度システム内での校正対象およびハッブルフロー用SNe Iaの体積制限付き標本を取得する。
• 赤色巨星回折の端（TRGB）法を用いて、SNe Iaのホスト銀河の絶対距離を決定し、TRGBのよく理解された等級を標準キャンドルとして用いる。
• SN 2021rhu（距離20.5 Mpcに位置）のTRGB距離を用いて、SNe Iaの絶対等級を校正する。
• ZTF初回データリリースから得た133個のハッブルフローSNe Iaの体積制限付き標本と、TRGB校正済みのSNe Ia等級を組み合わせ、H₀を推定する。
• 今後の距離階段の拡張を想定し、JWSTを用いて80 Mpc圏内に存在する100個以上のZTF SNe IaのTRGB距離を取得することで、距離階段を80 Mpcまで拡張する。
• 校正対象およびハッブルフロー標本の両方を同一の未ターゲット調査で取得することで、クロスキャリブレーションおよび環境バイアスを最小限に抑え、システムティック誤差を低減する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 同一の調査から得たSNe Iaを用いて均一な距離階段を構築することで、H₀測定におけるシステムティック不確実性を低減できるか？
• RQ2 CepheidではなくTRGB法を用いることで、SNe Ia等級校正におけるホスト環境バイアスはどの程度低減されるか？
• RQ3 現在および今後のデータを用いたZTFベースのTRGB校正距離階段により、どの程度のH₀の精度が達成可能か？
• RQ4 TRGBゼロポイント校正の改善および追加のアンカーギャラクシーの導入が、最終的なH₀不確実性にどのように影響するか？
• RQ5 この手法により、H₀の精度を2%未満にまで高めることで、ハッブル不一致を解消できるか？

主な発見

• パイロット研究では、NGC7814のSN 2021rhuのTRGB距離を校正源として用い、H₀ = 76.94 ± 6.4 km s⁻¹ Mpc⁻¹が得られ、8.3%の測定精度に相当する。
• 現在の誤差予算は、単一の校正対象SNe Iaの不確実性に大きく依存しており、ZTF標本内での追加のTRGB校正済みSNe Iaの必要性を浮き彫りにしている。
• ZTF調査は、すでに20 Mpc圏内に5つの他のSNe Iaを含んでおり、HSTを用いたTRGB距離が得られるため、将来的な校正改善が可能である。
• 現在のTRGBゼロポイント不確実性を前提とした場合、この手法によりH₀の精度が約1.8%にまで達し、ハッブル不一致の独立的テストに十分な水準に達する。
• 将来的に複数のアンカーギャラクシーのTRGB校正と、改善された光度ゼロポイントが得られれば、H₀の精度は約1.3%まで向上可能である。
• 校正対象およびハッブルフローSNe Iaの両方を同一の調査で取得することで、クロスキャリブレーションおよびホスト環境バイアスが著しく低減され、システムティック誤差が顕著に減少する。