[論文レビュー] An updated measurement of the Hubble constant from near-infrared observations of Type Ia supernovae

L. Galbany, Thomas de Jaeger+12 more|arXiv (Cornell University)|Sep 6, 2022

Gamma-ray bursts and supernovae被引用数 4

ひとこと要約

本稿では、Cepheid距離を用いた19個の標準白色矮星型Ia超新星（SNe Ia）およびハッブルフロー内の57個のSNe Iaの近赤外線（NIR）光度測定を用いて、ハッブル定数（$H_0$）の新しい測定値を提示する。ガウス過程とスプライン補間を用いてピーク等級を導出し、$J$および$H$バンドで$H_0 = 72.3 \pm 1.4\,( ext{stat}) \pm 1.4\,( ext{syst})$ km s$^{-1}$ Mpc$^{-1}$の結果が得られ、2.8%の精度を達成。これはローカル距離階段と整合的であるが、プランクCMBに基づく推定値とは2.3–2.4σの不一致を示している。

ABSTRACT

We present a measurement of the Hubble constant ($H_0$) using type Ia supernova (SNe Ia) in the near-infrared (NIR) from the recently updated sample of SNe Ia in nearby galaxies with distances measured via Cepheid period-luminosity relations by the SHOES project. We collect public near-infrared photometry of up to 19 calibrator SNe Ia and further 57 SNe Ia in the Hubble flow ($z>0.01$), and directly measure their peak magnitudes in the $J$ and $H$ band by Gaussian processes and spline interpolation. Calibrator peak magnitudes together with Cepheid-based distances are used to estimate the average absolute magnitude in each band, while Hubble-flow SNe are used to constrain the zero-point intercept of the magnitude-redshift relation. Our baseline result of $H_0$ is $72.3\pm1.4$ (stat) $\pm1.4$ (syst) km s$^{-1}$ Mpc$^{-1}$ in the $J$ band and $72.3\pm1.3$ (stat) $\pm1.4$ (syst) km s$^{-1}$ Mpc$^{-1}$ in the $H$ band, where the systematic uncertainties include the standard deviation of up to 21 variations of the analysis, the 0.7\% distance scale systematic from SHOES Cepheid anchors, a photometric zeropoint systematic, and a cosmic variance systematic. Our final measurement represents a measurement with a precision of 2.8\% in both bands. The variant with the largest change in $H_0$ is when limiting the sample to SNe from CSP and CfA programmes, noteworthy because these are the best calibrated, yielding $H_0\sim75$ km s$^{-1}$ Mpc$^{-1}$ in both bands. We demonstrate stretch and reddening corrections are still useful in the NIR to standardize SN Ia NIR peak magnitudes. Based on our results, in order to improve the precision of the $H_0$ measurement with SNe Ia in the NIR in the future, we would need to increase the number of calibrator SNe Ia, be able to extend the Hubble-Lemaître diagram to higher-z, and include standardization procedures to help reducing the NIR intrinsic scatter.

研究の動機と目的

• 光学バンドと比較して系誤差を低減する目的で、Ia型超新星（SNe Ia）の近赤外線（NIR）光曲線を用いてハッブル定数（$H_0$）を測定すること。
• 近赤外線SNe Iaが、宇宙論的距離測定のための強固で高精度な代替手段であるかどうかを検証すること。
• 光曲線標準化（ストレッチおよび色補正）が、近赤外線ピーク等級の固有分散をどれほど低減するかを評価すること。
• 将来的な近赤外線サーベイが、標準化器およびハッブルフロー内SNe Iaのサンプルを増加させることで、$H_0$の精度を向上させる可能性を評価すること。

提案手法

• 公共の近赤外線（$J$および$H$バンド）光度測定を、19個のCepheidで校正されたSNe Iaおよび57個のハッブルフロー内SNe Iaについて取得した。
• 疎な光曲線から正確なピーク等級を導出するために、ガウス過程およびスプライン補間を用いた。
• SHOESプロジェクトから得られたCepheid距離を用いて、各バンドにおける平均絶対等級を校正した。
• ハッブルフロー内SNe Iaを用いて赤移挙動と等級の関係をフィットし、ハッブル定数のゼロポイントを決定した。
• 距離スケール、光度測定ゼロポイント、および宇宙分散を含む21種類の解析バリアントから、系誤差を定量化した。
• 光学＋近赤外線データを用いたSNooPyフィットを用いて、ストレッチおよび色補正による標準化を検討し、固有分散の低減を図った。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 Ia型超新星の近赤外線観測は、光学バンドと比較して系誤差を低減しつつ、ハッブル定数を高精度かつ一貫性を持って測定可能か？
• RQ2 ストレッチおよび色補正は、近赤外線ピーク等級の標準化およびそれによる$H_0$の不確実性にどのように影響するか？
• RQ3 距離スケール、光度測定ゼロポイント、および宇宙分散といった系誤差が、近赤外線での最終的な$H_0$決定にどの程度影響を及えるか？
• RQ4 近赤外線データの使用は、光学ベースの距離階段測定に見られるバイアスを緩和するか？
• RQ5 近赤外線SNe Iaを用いて$H_0$の精度を2%未満に向上させるには、どのような改善が必要か？

主な発見

• ベースラインの$H_0$測定値は、$J$および$H$バンドで$72.3 \pm 1.4\,( ext{stat}) \pm 1.4\,( ext{syst})$ km s$^{-1}$ Mpc$^{-1}$であり、合計で2.8%の精度に達した。
• この結果は、R22ローカル距離階段測定と0.3σの一致を示しており、光学系誤差が$H_0$測定をバイアスしないことを確認した。
• この測定は、プランクCMBに基づく$H_0$値とは2.3–2.4σの不一致を示しており、ハッブル・テンションを強化した。
• CSPおよびCfAプログラムからの良好に校正されたSNeに限定した場合、$H_0 \sim 75$ km s$^{-1}$ Mpc$^{-1}$が得られ、ローカル推定値との整合性が向上した。
• ストレッチおよび色補正は、近赤外線絶対等級の固有分散を低減したが、$H_0$精度への影響は明確ではあったが小さかった。
• 将来的な改善には、より多くの標準化器SNe Ia、$z \sim 0.7$まで拡張されたハッブルフロー内サンプル、および近赤外線光曲線のより良い標準化が必要である。