[論文レビュー] The Tip of the Red Giant Branch Distances to Type Ia Supernova Host Galaxies. V. NGC 3021, NGC 3370, and NGC 1309 and the value of the Hubble Constant

In Sung Jang, Myung Gyoon Lee|arXiv (Cornell University)|Feb 3, 2017

Gamma-ray bursts and supernovae参考文献 2被引用数 4

ひとこと要約

本研究は、ハッブル宇宙望遠鏡の光度測定を用いて、タイプIa超新星の母銀河であるNGC 3021、NGC 3370、NGC 1309の赤色巨星の先端（TRGB）距離を決定し、NGC 4258とLMCに固定された見直し済みTRGB校正を適用し、$ H_0 = 71.17 \pm 1.66_{\text{ランダム}} \pm 1.87_{\text{システムティック}} $ km s⁻¹ Mpc⁻¹のハッブル定数を導出し、Cepheidで校正されたSNe IaとCMBに基づく値の間にあるため、ハッブル緊張を緩和する。

ABSTRACT

We present final results of a program for the determination of the Hubble constant based on the calibration of the Type Ia supernovae (SNe Ia) using the Tip of the Red Giant Branch (TRGB). We report TRGB distances to three SN Ia host galaxies, NGC 3021, NGC 3370, and NGC 1309. We obtain F555W and F814W photometry of resolved stars from the archival Hubble Space Telescope data. Luminosity functions of red giant stars in the outer regions of these galaxies show the TRGB to be at I ~ QT = 28.2 ~ 28.5 mag. From these TRGB magnitudes and the revised TRGB calibration based on two distance anchors (NGC 4258 and the LMC) in Jang&Lee 2017, we derive the distances: (m-M)0 = 32.178 +- 0.033 for NGC 3021, 32.253 +- 0.041 for NGC 3370, and 32.471 +- 0.040 for NGC 1309. We update our previous results on the TRGB distances to five SN Ia host galaxies using the revised TRGB calibration. By combining the TRGB distance estimates to SN Ia host galaxies in this study with the SN Ia calibration provided by Riess et al. 2011, we obtain a value of the Hubble constant: H0 = 71.66 +- 1.80 (random) +- 1.88 (systematic) km/s/Mpc (a 3.6% uncertainty including systematics) from all eight SNe, and H0 = 73.72 +- 2.03 +- 1.94 km/s/Mpc (a 3.8% uncertainty) from six low-reddened SNe. We present our best estimate, H0 = 71.17 +- 1.66 +- 1.87 km/s/Mpc (a 3.5% uncertainty) from six low-reddened SNe with the recent SN Ia calibration in Riess et al. 2016. This value is between those from the Cepheid calibrated SNe Ia and those from the Cosmic Microwave Background (CMB) analysis, lowering the Hubble tension.

研究の動機と目的

• タイプIa超新星（SNe Ia）の明るさの校正を、赤色巨星の先端（TRGB）を距離指標として用いて改善すること。
• Cepheidに基づく校正とは独立した距離階段法を提供することで、ハッブル緊張を解消すること。
• NGC 4258とLMCに固定された見直し済みTRGB校正を用いることで、$ H_0 $推定におけるシステムティック不確実性を低減すること。
• Cepheid距離が超長周期Cepheidの影響を受ける可能性がある活発な星形成銀河において、TRGB距離の頑健性を検証すること。
• Cepheidで校正された値とCMBに基づく値の間にある、精度が高くシステムティックが小さいハッブル定数の推定を提供すること。

提案手法

• NGC 3021、NGC 3370、NGC 1309の外縁領域における分解星のアーカイブHubble Space Telescope/ACS観測から、深さのあるF555WおよびF814Wの光度測定を取得した。
• 色-等級図（CMD）を構築し、赤色巨星分支（RGB）星を特定し、光度関数法を用いてTRGBを同定した。
• Jang & Lee（2017）の見直し済みTRGB校正を、NGC 4258とLMCに固定して、観測されたTRGB等級を絶対距離に変換した。
• Riessら（2016）のSNe Iaピーク等級校正とTRGB距離を組み合わせ、ダスト減光バイアスを最小限に抑えるために全SNeおよび低減光SNeのサブセットを用いて$ H_0 $を導出した。
• TRGB距離とCepheid距離を共通の銀河で比較することで、システムティック不確実性を評価し、特にNGC 4038/39における超長周期Cepheidの影響を評価した。
• 8つのSNe Ia母銀河のTRGB距離の重み付き平均を用い、ランダム誤差とシステムティック誤差を含む最終的な$ H_0 $推定値を導出した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 HSTアーカイブデータを用いたTRGBに基づく、SNe Ia母銀河であるNGC 3021、NGC 3370、NGC 1309の距離は何か？
• RQ2 NGC 4258とLMCに固定された見直し済みTRGB校正は、Cepheidに基づく校正と比較して、導出されるハッブル定数にどのように影響するか？
• RQ3 TRGB距離は、Cepheidで校正されたSNe IaとCMBに基づく$ H_0 $値の間のハッブル緊張をどの程度和らげるか？
• RQ4 超長周期Cepheidが結果にバイアスを及える可能性があるNGC 4038/39のような銀河において、TRGB距離とCepheid距離はどのように比較されるか？
• RQ5 TRGB法は、ハッブル定数推定におけるCepheid距離階段の代替として、頑健でシステムティックが小さいものとして機能できるか？

主な発見

• NGC 3021へのTRGB距離モジュラスは$ (m-M)_0 = 32.178 \pm 0.033 $ mag、NGC 3370は$ 32.253 \pm 0.041 $ mag、NGC 1309は$ 32.471 \pm 0.040 $ magである。
• NGC 4038/39におけるTRGB等級は$ 28.398 \pm 0.040 $であり、距離モジュラス$ (m-M)_0 = 32.471 \pm 0.040 $が得られ、Riessら（2016）のCepheid距離と比較して$ \Delta(m-M)_0 = 0.387 \pm 0.118 $ mag大きく、有意に大きい。
• NGC 4038/39へのTRGB距離は、Riessら（2011）の初期のCepheid距離と整合的であり、Riessら（2016）の差異は超長周期Cepheidに起因している可能性が高い。
• TRGB校正を用いた6つの低減光SNe Iaから得られた最終的なハッブル定数推定値は$ H_0 = 71.17 \pm 1.66_{\text{ランダム}} \pm 1.87_{\text{システムティック}} $ km s⁻¹ Mpc⁻¹であり、総合的な不確実性は3.5%である。
• この値は、Cepheidで校正されたSNe Iaの結果（$ H_0 \approx 73.7 $ km s⁻¹ Mpc⁻¹）とCMBに基づく結果（$ H_0 \approx 67.8 $ km s⁻¹ Mpc⁻¹）の間にあるため、ハッブル緊張を緩和する。
• システムティック効果を考慮した場合、TRGBに基づく$ H_0 $はFreedmanら（2012）のCepheid結果から$ 1.08\sigma $、Riessら（2016）から$ 0.88\sigma $、Riessら（2011）から$ 0.56\sigma $の範囲内にあり、最近のCepheid校正と良好に一致している。