[論文レビュー] Cosmicflows-4

R. Brent Tully, Ehsan Kourkchi+15 more|arXiv (Cornell University)|Sep 22, 2022

Gamma-ray bursts and supernovae被引用数 4

ひとこと要約

Cosmicflows-4 は、8 種類の手法（Tully-Fisher 関係および基本平面関係を含む）を用いて、38,065 グループに属する 55,877 個の銀河の距離をまとめ、超新星およびセフェイド/赤色巨星のトゥイの端（Tip of the Red Giant Branch）を用いた絶対スケーリングで校正しています。$H_0 = 74.6 \pm 0.8$ km s⁻¹ Mpc⁻¹（統計的誤差）を報告し、約 3 km s⁻¹ Mpc⁻¹ の大きな潜在的系統的誤差を示しています。

ABSTRACT

With Cosmicflows-4, distances are compiled for 55,877 galaxies gathered into 38,065 groups. Eight methodologies are employed, with the largest numbers coming from the correlations between the photometric and kinematic properties of spiral galaxies (TF) and elliptical galaxies (FP). Supernovae that arise from degenerate progenitors (type Ia Sne) are an important overlapping component. Smaller contributions come from distance estimates from the surface brightness fluctuations of elliptical galaxies and the luminosities and expansion rates of core collapse supernovae (SNII). Cepheid period-luminosity relation and tip of the red giant branch observations founded on local stellar parallax measurements along with the geometric maser distance to NGC 4258 provide the absolute scaling of distances. The assembly of galaxies into groups is an important feature of the study in facilitating overlaps between methodologies. Merging between multiple contributions within a methodology and between methodologies is carried out with Bayesian Markov chain Monte Carlo procedures. The final assembly of distances is compatible with a value of the Hubble constant of $H_0=74.6$ km s$^{-1}$ Mpc$^{-1}$ with the small statistical error of $\pm 0.8$ km s$^{-1}$ Mpc$^{-1}$ but a large potential systematic error of ~3 km s$^{-1}$ Mpc$^{-1}$. Peculiar velocities can be inferred from the measured distances. The interpretation of the field of peculiar velocities is complex because of large errors on individual components and invites analyses beyond the scope of this study.

研究の動機と目的

• 全天にわたる銀河距離の包括的で多様な手法によるカタログ作成を通じて、ハッブル定数および異方速度場の制約を改善すること。
• 共通の絶対スケーリングを用いた複数の独立した距離指標を統合することで、ハッブル定数の測定値の不一致を解消すること。
• 銀河グループを一貫した距離ネットワークに統合することで、大規模構造および異方速度の詳細なマッピングを可能にすること。
• 複数の手法による重複する距離推定値をベイズ的手法で統合することで、統計的誤差を低減すること。
• 多様な手法と複数の校正源を用いたアプローチを通じて、宇宙論的および天体物理学的研究に利用可能な公開で高精度なリソースを提供すること。

提案手法

• Tully-Fisher (TF)、基本平面 (FP)、Ia型およびII型超新星 (SNe Ia, II)、表面輝度フラクチュエーション (SBF)、セフェイドの周期-光度関係 (CPLR)、赤色巨星のトゥイの端 (TRGB) の 8 種類の異なる手法を用いて銀河距離を収集する。
• セフェイドおよび TRGB キャリブレーションに加え、NGC 4258 における幾何的マーサー距離を用いて、すべての距離推定値を絶対スケールに固定する。
• 重複する距離推定値を、手法内および手法間で統合するためにベイズ的手法によるマルコフ連鎖モンテカルロ (MCMC) 手法を適用し、不一致を最小限に抑える。
• 銀河を 38,065 グループにグループ化することで、手法間の一貫性を高め、距離ネットワークの密度を向上させる。
• 階層的データモデルを採用し、グループレベルの距離を個々の銀河の寄与から導出する。統計的および系統的誤差を統計的伝搬を通じて処理する。
• 光学、H I、赤外線スカイサーベイの広範な観測データに依存し、複数の手法間での相互検証を通じて外れ値を特定・低減する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 複数の独立した距離指標を統合した場合、ハッブル定数 $H_0$ の最も正確で一貫性のある推定値は何か？
• RQ2 共通の絶対スケールに校正された場合、Tully-Fisher や基本平面関係、SNe Ia などの異なる距離指標は、一貫性と精度においてどのように比較できるか？
• RQ3 多様で不均一な多様な手法による距離カタログから、異方速度場をどれほど信頼性高く再構築できるか？
• RQ4 系統的誤差が最終的なハッブル定数推定値に及ぼす影響は何か？ そして、それらはどのように定量化できるか？
• RQ5 銀河グループの統合は、宇宙論的距離測定の堅牢性と空間的カバー範囲をどのように向上させるか？

主な発見

• Cosmicflows-4 による最終的なハッブル定数推定値は $H_0 = 74.6 \pm 0.8$ km s⁻¹ Mpc⁻¹ であり、統計的誤差が小さい。
• 約 3 km s⁻¹ Mpc⁻¹ の大きな潜在的系統的誤差が残っており、複数の手法間で未解決の系統的要因が存在することを示している。
• Tully-Fisher 関係および基本平面関係が最も大きな寄与をしており、55,000 個を超える銀河と 38,000 個を超えるグループが含まれている。
• Ia型超新星は $z \sim 0.1$ まで約 7% の精度で寄与しており、SBF および TRGB 手法は 20 Mpc 以内で高精度のアンカーポイントを提供している。
• ベイズ的手法による MCMC 統合プロセスは、重複する距離推定値を効果的に調停し、手法間の不一致を低減した。
• カタログは、https://edd.ifa.hawaii.edu に設置された Extragaclactic Distance Database を通じて、CF4 All Groups および CF4 All Group Velocities として公開されている。