[論文レビュー] The Astrophysical Distance Scale: V. A 2% Distance to the Local Group Spiral M33 via the JAGB Method, Tip of the Red Giant Branch, and Leavitt Law

Abigail J. Lee, Laurie Rousseau-Nepton+7 more|arXiv (Cornell University)|May 23, 2022

Stellar, planetary, and galactic studies参考文献 108被引用数 21

ひとこと要約

本論文は、3つの独立した銀河間距離指標（JAGB法、赤巨星の先端（TRGB）、セフェイドのリーヴィット則）を用いて、局所銀河団のスパイラル銀河M33への距離を2%の精度で測定した。すべての手法間で良好な一致（0.05 mag以内）を示し、JAGB法は距離モジュラス μ₀(JAGB) = 24.67 ± 0.03(stat) ± 0.04(sys) mag を達成した。また、地上望遠鏡とハッブル宇宙望遠鏡（HST）のJAGB光度測定の最初の直接比較を行い、今後のジェームズ・ウェッブ宇宙望遠鏡（JWST）を用いたハッブル定数測定に向けた手法の正確性を検証した。

ABSTRACT

The J-region asymptotic giant branch (JAGB) method is a new standard candle that is based on the stable intrinsic J-band magnitude of color-selected carbon stars, and has a precision comparable to other primary distance indicators such as Cepheids and the TRGB. We further test the accuracy of the JAGB method in the Local Group Galaxy M33. M33's moderate inclination, low metallicity, and nearby proximity make it an ideal laboratory for tests of systematics in local distance indicators. Using high-precision optical BVI and near-infrared JHK photometry, we explore the application of three independent distance indicators: the JAGB method, the Cepheid Leavitt Law, and the TRGB. We find: $\mu_0$ (TRGB I) = 24.72 +/- 0.02 (stat) +/- 0.07 (sys) mag, $\mu_0$ (TRGB NIR) = 24.72 +/- 0.04 (stat) +/- 0.10 (sys) mag, $\mu_0$ (JAGB) = 24.67 +/- 0.03 (stat) +/- 0.04 (sys) mag, $\mu_0$ (Cepheid) = 24.71 +/- 0.04 (stat) +/- 0.01 (sys) mag. For the first time, we also directly compare a JAGB distance using ground-based and space-based photometry. We measure: $\mu_0$ (JAGB F110W) = 24.71 +/- 0.06 (stat) +/- 0.05 (sys) mag using the (F814-F110W) color combination to effectively isolate the JAGB stars. In this paper, we measure a distance to M33 accurate to 2% and provide further evidence that the JAGB method is a powerful extragalactic distance indicator that can effectively probe a local measurement of the Hubble constant using spaced-based observations. We expect to measure the Hubble constant via the JAGB method in the near future, using observations from JWST.

研究の動機と目的

• 複数の独立した距離指標を用いて、M33への距離を2%の精度で測定すること。
• 低金属量でよく研究されている近傍のスパイラル銀河において、JAGB法の正確性と精度を検証すること。
• 地上望遠鏡と宇宙望遠鏡の両方のJAGB光度測定を、距離校正のために最初に直接比較すること。
• 1つの銀河において、TRGB やセフェイドといった既存の指標とJAGB法の整合性を評価すること。
• ジェームズ・ウェッブ宇宙望遠鏡（JWST）を用いた今後の高精度なハッブル定数測定に備えて、JAGB法の応用を準備すること。

提案手法

• 地上望遠鏡（UKIRT, CFHT, WIYN）とハッブル宇宙望遠鏡（WFC3/IR）からの高精度な光学（BV I）および近赤外（JHK）光度測定を用いた。
• Jバンドで炭素星を (J−K) 色のしきい値で特定し、その安定した固有の明るさを標準標準光源としてJAGB法を適用した。
• M33の外縁部で低混雑領域を対象に、Iバンドおよび近赤外（NIR）光度測定を用いてTRGB距離を測定した。
• 既存の文献からセフェイドを特定し、リーヴィット則を適用して距離-周期関係から距離を導出した。
• 地上望遠鏡（Jバンド）とHST（F110W）の両方の光度測定から得られるJAGB距離を、(F814W−F110W) 色選別を用いて直接比較した。
• 低赤外減光・低混雑領域の同一データ選択を用いて、すべての距離指標を校正・相互検証し、系誤差を最小限に抑えた。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 地上望遠鏡と宇宙望遠鏡の両方の光度測定を用いたJAGB法により、M33への距離は何か？
• RQ2 JAGB法、TRGB法、セフェイドのリーヴィット則によるM33への距離測定は、整合性と精度の面でどのように比較できるか？
• RQ3 JAGB法は、セフェイドやTRGBと相関の少ない系誤差を有する、信頼性の高い独立した距離指標として機能できるか？
• RQ4 地上望遠鏡とHSTを用いたJAGB光度測定の結果は、どの程度一致するか？
• RQ5 JAGB法は、低金属量でやや傾いているスパイラル銀河M33のような環境でも、どの程度の性能を示すか？

主な発見

• JAGB法は距離モジュラス μ₀(JAGB) = 24.67 ± 0.03(stat) ± 0.04(sys) mag を得ており、2%の精度を達成した。
• TRGB法は一貫性のある結果を示した：Iバンドでは μ₀(TRGBI) = 24.72 ± 0.02(stat) ± 0.07(sys) mag、近赤外では μ₀(TRGBNIR) = 24.72 ± 0.04(stat) ± 0.10(sys) mag であった。
• セフェイドのリーヴィット則による距離モジュラスは μ₀(Cepheid) = 24.71 ± 0.04(stat) ± 0.01(sys) mag であり、他の手法と優れた一致を示した。
• 地上望遠鏡とHSTの両方のJAGB光度測定の最初の直接比較では、一貫性のある結果が得られた：μ₀(JAGBF110W) = 24.71 ± 0.06(stat) ± 0.05(sys) mag であった。
• 3つの独立した距離指標は0.05 mag以内で一致しており、JAGB法の信頼性と低系誤差を確認した。
• JAGB法は、今後のジェームズ・ウェッブ宇宙望遠鏡（JWST）を用いたハッブル定数測定に適した強力で正確かつ独立した距離指標であることが検証された。