[論文レビュー] The Local Value of H$_0$

Adam G. Riess, Louise Breuval|arXiv (Cornell University)|Aug 21, 2023

Gamma-ray bursts and supernovae被引用数 4

ひとこと要約

本論文は、ジェームズ・ウェッブ宇宙望遠鏡（JWST）を用いた高精度なハッブル定数（H₀）測定を通じて、局所的距離階段の妥当性を検証し、ハッブル空間望遠鏡（HST）の結果と整合的であることを確認した。これにより、HSTのセフェイド光度測定における系誤差がハッブル・テンションを説明できないことが示され、ΛCDMを超える新しい物理学の可能性が強化された。

ABSTRACT

We review the local determination of the Hubble constant, H$_0$, focusing on recent measurements of a distance ladder constructed from geometry, Cepheid variables and Type Ia supernovae (SNe Ia). We explain in some detail the components of the ladder: (1) geometry from Milky Way parallaxes, masers in NGC 4258 and detached eclipsing binaries in the Large Magellanic Cloud; (2) measurements of Cepheids with the Hubble Space Telescope (HST) in these anchors and in the hosts of 42 SNe Ia; and (3) SNe Ia in the Hubble flow. Great attention to negating systematic uncertainties through the use of differential measurements is reviewed. A wide array of tests are discussed. The measurements provide a strong indication of a discrepancy between the local measure of H$_0$ and its value predicted by $Λ$CDM theory, calibrated by the cosmic microwave background ($Planck$), a decade-long challenge known as the `Hubble Tension'. We present new measurements with the James Webb Space Telescope of $>$320 Cepheids on both rungs of the distance ladder, in a SN Ia host and the geometric calibrator NGC 4258, showing reduced noise and good agreement with the same as measured with HST. This provides strong evidence that systematic errors in HST Cepheid photometry do not play a significant role in the present Hubble Tension. Future measurements are expected to refine the local determination of the Hubble constant.

研究の動機と目的

• HSTに基づくセフェイド光度測定における系誤差を検証するため、JWSTデータを用いて局所的ハッブル定数（H₀）の測定を検証すること。
• HSTのセフェイド距離測定に残存する系誤差がハッブル・テンションを説明できるかどうかを評価すること。
• JWSTの密集した領域における優れた近赤外画像化を活用して、局所的距離階段の精度を向上させること。
• 幾何的基準星（NGC 4258）と超新星Ia宿主銀河（NGC 5584）の両方で、HSTとJWSTのセフェイド光度測定を直接的・差分的に比較すること。
• HSTとJWSTの測定が一致することを示すことで、ゼロポイントの不確実性に依存しない形で、局所的H₀値の信頼性を高めること。

提案手法

• HSTが観測したのと同一のターゲット（幾何的基準星NGC 4258と超新星Ia宿主銀河NGC 5584）に対して、JWSTを用いて320個以上のセフェイドを観測した。
• ゼロポイント誤差や校正誤差を最小限に抑えるために、差分光度測定法を適用してHSTとJWSTのセフェイドの明るさを比較した。
• Wesenheitの明るさ-周期関係（W^{H}_{V,I}）を用いて距離モジュラスを導出し、HSTのF160WとJWSTのF150Wフィルタを直接比較した。
• 複数回の観測を実施して位相の決定精度を向上させ、ランダムな位相誤差を低減し、分散を約0.43 magから約0.17 magにまで低下させた。
• 同一のセフェイドサンプルを用いて、距離階段の各ランク間の距離モジュラスを直接比較することで、系誤差に影響されない光度測定の一貫性のテストを実施した。
• HSTとJWSTがNGC 5584とNGC 4258の距離モジュラスを測定した差を計算し、0.04 magの高精度を達成した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 HSTのセフェイド光度測定における系誤差が観測されたハッブル・テンションに寄与しているか？
• RQ2 JWSTのセフェイド測定がHSTの結果と一致することは、HSTに基づく系誤差がハッブル・テンションの原因である可能性を排除するのに十分か？
• RQ3 特に密集した領域において、JWSTの近赤外画像化はHSTに比べてノイズや混雑の影響を軽減できるか？
• RQ4 JWSTを用いて距離階段の2つのランク間の差分距離モジュラスを測定する精度はどの程度か？
• RQ5 幾何的基準星（NGC 4258）と超新星Ia宿主銀河（NGC 5584）の両方で、HSTとJWSTのセフェイド光度測定が一致することは、局所的H₀値の堅牢性を支持するか？

主な発見

• JWSTのセフェイド光度測定はHSTの測定と優れた一致を示し、HSTとJWSTの距離モジュラス差は0.04 magにとどまった。
• 複数回の観測による位相補正により、セフェイド明るさの分散は約0.43 magから約0.17 magにまで低下し、統計的精度が著しく向上した。
• NGC 4258（幾何的基準星）とNGC 5584（超新星Ia宿主銀河）の両方で、HSTとJWSTのセフェイド測定が一致したことは、HSTの光度測定系誤差の可能性を強く排除する証拠となった。
• JWSTデータを用いて距離モジュラスをランク間で直接比較することで、HSTのセフェイド光度測定における系誤差がハッブル・テンションを説明できないことが確認された。
• JWSTを用いたテストの精度（0.04 mag）は、ハッブル・テンションの大きさ（0.18 mag）の数倍も小さく、残存する系誤差を検出するのに極めて感度が高い。
• これらの結果は、局所的H₀測定の堅牢性を支持し、ハッブル・テンションがΛCDMを超える新しい物理学の兆候である可能性を強化した。