[論文レビュー] Multi-Wavelength, Optical (VI) and Near-Infrared (JHK) Calibration of the Tip of the Red Giant Branch Method based on Milky Way Globular Clusters

W. Cerny, Wendy L. Freedman+6 more|arXiv (Cornell University)|Dec 17, 2020

Optical Systems and Laser Technology被引用数 8

ひとこと要約

本論文は、46個の銀河系球状星団を用い、Gaia DR2の自己運動とゼロ歳水平分岐（ZAHB）を基準とする複合色等級図を活用して、赤巨星の先端（TRGB）距離指標の独立的で多波長にわたる校正を提示している。VIおよびJHKバンドにおける絶対TRGB等級を高い精度で確立し、LMCおよびNGC 4258に基づく先行校正と1σ以内の良好な一致を示しており、TRGBが宇宙論的距離測定に信頼できるものであることを裏付けている。

ABSTRACT

Using high precision ground-based photometry for 46 low-reddening Galactic globular clusters, in conjunction with Gaia DR2 proper motions for member star selection, we have calibrated the zero point of the tip of the red giant branch (TRGB) method at two optical ($VI$) and three near-infrared ($JHK$) wavelengths. In doing so, we utilized the sharply-defined zero-age horizontal branch (ZAHB) of these clusters to relatively calibrate our cluster sample into a composite color-magnitude diagram spanning a wide range of metallicities, before setting the absolute zero point of this composite using the geometric detached eclipsing binary distance to the cluster $ω$ Centauri. The $I-$band zero point we measure [$M_I = -4.056 \pm 0.02 ext{ (stat}) \pm 0.10 ext{ (sys)} $] agrees to within one sigma of the two previously published independent calibrations, using TRGB stars in the LMC [$M_I = $ -4.047 mag; Freedman et al. 2019, 2020] and in the maser galaxy NGC 4258 [$M_{F814W} = $ -4.051 mag; Jang et al. 2020]. We also find close agreement for our $J,H,K$ zero points to several literature studies.

研究の動機と目的

• 銀河系球状星団を用いたTRGB法の独立的で多波長にわたる校正を提供すること。
• 分離食いしばり連星（DEB）による幾何的距離測定を用いて、TRGBゼロポイントの系統的不確実性を低減すること。
• 光学的および近赤外バンドにおけるTRGB距離の精度と一貫性を向上させ、宇宙論的距離階段への応用を目的とすること。
• 均一で高精度な星団サンプルを用いて、TRGB法が銀河間距離スケールの信頼性ある段階であることを検証すること。
• 将来的な改善の基盤を築くこと。具体的には、Gaia DR3の視差と向上した天体測定法を用いた星団所属関係および距離決定の応用を想定する。

提案手法

• 46個の低赤外減光銀河系球状星団について、VIおよびJHKバンドの高精度地上望遠鏡光度測定を用いた。
• Gaia DR2の自己運動にガウス・ミックスチャネル・モデル（GMM）クラスタリングを適用し、高精度で星団所属星を同定した。
• 星団の明確で鋭いゼロ歳水平分岐（ZAHB）を用いて、広い金属量範囲をカバーする相対的色等級図を構築した。
• 分離食いしばり連星（DEB）システムによるωケンタウリの幾何的距離を用いて、合成TRGB等級を校正した。
• 統計的および系統的不確実性（赤外減光および光度ゼロポイント誤差を含む）を校正プロセス全体にわたって伝搬させた。
• 一貫性のあるフィルタ変換と誤差伝搬を用いて、LMCおよびNGC 4258における先行TRGB校正と結果を比較検証した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 幾何的距離を用いた独立的校正により、銀河系球状星団におけるIバンドTRGB等級の絶対等級は何か？
• RQ2 J、H、KバンドにおけるTRGB等級は、異なる星団サンプルを用いた既存の文献校正とどの程度一致するか？
• RQ3 ZAHBを基準シーケンスとして用いることで、46個の球状星団の金属量を広くカバーした相対校正が、一貫性のある金属量サンプリングを可能にする程度はどの程度か？
• RQ4 Gaia DR2の自己運動を用いることで、TRGB校正に向けた星団所属星選別精度がどの程度向上するか？
• RQ5 将来のGaia DR3の視差と向上した天体測定法により、TRGBゼロポイントの精度はどの程度向上すると期待されるか？

主な発見

• IバンドTRGBゼロポイントは $ M_I = -4.056 \pm 0.02 \text{ (stat)} \pm 0.10 \text{ (sys)} $ と測定され、LMC（−4.047 mag）およびNGC 4258（F814Wで−4.051 mag、Iバンドに相当）に基づく先行校正と良好な一致を示した。
• J、H、KバンドにおけるTRGBゼロポイントは、多数の文献研究とよく一致しており、異なる光度測定系および星団サンプル間での一貫性が確認された。
• ZAHBを基準シーケンスとして用いることで、広い金属量範囲（−2.0 ≤ [Fe/H] ≤ −0.5）にわたる46個の球状星団に対する堅牢な相対校正が可能になった。
• 現在のTRGB校正における主な不確実性要因は、ωケンタウリの単一DEB距離の系統的誤差に起因しており、複数の星団における幾何的距離測定の必要性を強調している。
• 将来のGaia DR3では、46個の星団に対する視差を用いた幾何的距離測定により、TRGBゼロポイントの系統的不確実性が1桁低減すると期待される。
• Gaia DR3における自己運動の精度向上および5パラメータの完全な天体測定が、星団所属星カタログの純度と完全性を著しく向上させ、より信頼性の高いTRGB校正を可能にする。