[論文レビュー] New Observational $H(z)$ Data from Full-Spectrum Fitting of Cosmic Chronometers in the LEGA-C Survey

Kang Jiao, Nicola Borghi+2 more|arXiv (Cornell University)|May 11, 2022

Astronomy and Astrophysical Research被引用数 10

ひとこと要約

本研究では、LEGAC-調査の350個の質量的で非活性な銀河の全スペクトルフィッティングを用いて、z=0.8における新しいH(z)測定値を提示している。H(z=0.8) = 113.1 ± 15.1 (統計)⁺²⁹.¹₋₁₁.³ (系差) km s⁻¹ Mpc⁻¹が得られた。この手法はスペクトルエネルギー分布フィッティングにより微分的年齢を信頼性高く決定でき、Lickインデックスの結果と照合されており、独立した手法間で一貫性が確認され、宇宙時計法が宇宙膨張を信頼できるプローブとして有効であることが強化された。

ABSTRACT

In this work, we perform a full-spectrum fitting of 350 massive and passive galaxies selected as cosmic chronometers from the LEGA-C ESO public survey to derive their stellar ages, metallicities, and star-formation histories. We extensively test our results by assessing their dependence on the possible contribution of dust, calibration of noise and signal, and the use of photometric data in addition to spectral information; we as well identify indicators of the correct convergence of the results, including the shape of the posterior distributions, the analysis of specific spectral features, and the correct reproduction of the observed spectrum. We derive a clear age-redshift trend compatible with the aging in a standard cosmological model, showing a clear downsizing pattern, with more massive galaxies being formed at higher redshift ($z_f\sim2.5$) with respect to lower massive ones ($z_f\sim2$). From these data, we measure the differential aging of this population of cosmic chronometers to derive a new measurement of the Hubble parameter, obtaining $H(z=0.8) = 113.1 \pm 15.1 (\mathrm{stat.}) ^{+29.1}_{-11.3} (\mathrm{syst.})\ \mathrm{ km\ s^{-1}\ Mpc^{-1}}$. This analysis allows us for the first time to compare the differential ages of cosmic chronometers measured on the same sample with two completely different methods, the full-spectrum fit (this work) and the analysis of Lick indices, known to correlate with the age and metallicity of the stellar populations \citep{Borghi2022a}. Albeit an understood offset in the absolute ages, the differential ages have proven to be extremely compatible between the two methods, despite the very different data, assumptions, and models considered, demonstrating the robustness of the method.

研究の動機と目的

• LEGAC-調査からの宇宙時計を用いて中間赤方偏移における正確なハッブル定数測定を達成すること。
• ダスト、ノイズキャリブレーション、光度データの組み込みといったシステム的効果を評価することで、質量的で非活性銀河におけるスターポピュレーション合成の全スペクトルフィッティングの頑健性を検証すること。
• 同じサンプルに対して全スペクトルフィッティングから得た微分的年齢とLickインデックスから得た年齢を比較し、手法の一貫性を検証すること。
• スペクトルフィッティングにおけるダストとのデゲネラシーを考慮した金属量-赤方偏移の進化を調査し、年齢およびH(z)推定の正確性を保証すること。
• ΛCDMモデルの整合性の文脈で、Hubble緊張を評価する手助けとなる高精度で独立した宇宙論的プローブを提供すること。

提案手法

• 350個の質量的で非活性な銀河のLEGAC-調査からの統合スペクトルを、Bagpipesスターポピュレーション合成コードを用いて全スペクトルフィッティングする。
• MultiNestを用いたベイズ推論により、星の年齢、金属量、ダスト減光、星形成歴パラメータの事後分布を探索する。
• 収束診断、スペクトル特徴の分析、観測スペクトルと合成スペクトルの比較を通じて結果の妥当性を検証する。
• ダストモデル、ノイズキャリブレーション、光度データの組み込みといったモデル仮定の変更を用いてシステム的効果をテストする。
• 全スペクトルフィッティングの結果から微分的年齢を導出し、dE/dz = -H(z) × E(z)の式を用いてH(z)を計算する。ここでE(z) = H(z)/H₀である。
• 得られた微分的年齢を、同じサンプルに対してLickインデックス解析（PyLick）で得た年齢と比較し、異なる手法間の一貫性を評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 銀河スペクトルの全スペクトルフィッティングは、宇宙時計としての微分的年齢測定を信頼性高く行えるか？
• RQ2 ダスト減光やノイズキャリブレーションといったシステム的効果が、推定されたスターポピュレーションパラメータおよびH(z)推定に与える影響はいかほどか？
• RQ3 同じサンプルに対して全スペクトルフィッティングから得たH(z)測定値とLickインデックス解析からの測定値は、どの程度一致するか？
• RQ4 非活性銀河における金属量-赤方偏移の進化はどのような役割を果たし、スペクトルフィッティングにおけるダストとのデゲネラシーはその影響をどのように受けるか？
• RQ5 全スペクトルフィッティング手法は、特にHubble緊張の文脈において、信頼性があり独立した宇宙膨張歴のプローブとして機能できるか？

主な発見

• 本研究では、350個のLEGAC-銀河の全スペクトルフィッティングを用いて、H(z=0.8) = 113.1 ± 15.1 (統計)⁺²⁹.¹₋₁₁.³ (系差) km s⁻¹ Mpc⁻¹を導出した。
• 赤方偏移に伴うわずかな金属量の進化は、ダスト減光とのデゲネラシーに起因しており、ダストをモデルから除外するとこの傾向は消失する。
• 星の金属量は平均して太陽値を上回っており（⟨Z/Z⊙⟩ = 1.44 ± 0.56）、以前のLickインデックス結果（Z/Z⊙ ≈ 1.1）と整合的である。
• 全スペクトルフィッティングから得た微分的年齢は、異なるデータ、モデル、仮定を用いたLickインデックス解析結果と非常に良好に一致している。
• ダストをモデルから除外してもH(z)推定値は1.1%以内で安定しており、ベースライン結果の頑健性が確認された。
• サンプルサイズは過去の類似研究のほぼ2倍であり、統計誤差が√Nに従って正しくスケーリングされているため、今後の調査で精度を向上させる大きな可能性を示している。