[論文レビュー] Two c's in a pod: Cosmology independent measurement of the Type Ia supernova colour-luminosity relation with a sibling pair

Rahul Biswas, A. Goobar+20 more|arXiv (Cornell University)|Mar 31, 2021

Gamma-ray bursts and supernovae参考文献 98被引用数 15

ひとこと要約

本論文は、同じ銀河内に存在する2つの姉妹型Ia超新星（z = 0.0541）を用いて、宇宙論に依存しない型Ia超新星の色-光度関係の測定を提示する。200日および0.6 kpcの距離で分離したSNe Iaに対してZTFの光度測定値を用いてSALT2光曲線をフィットし、𝛽 = 3.5 ± 0.3を導出。これは最近の全宇宙距離階層のフィット結果と整合しており、宇宙論的モデルの仮定、選択バイアス、またはシミュレーションに基づく補正に依存しない。

ABSTRACT

Using Zwicky Transient Facility (ZTF) observations, we identify a pair of "sibling" Type Ia supernovae (SNe Ia), i.e., hosted by the same galaxy at z = 0.0541. They exploded within 200 days from each other at a separation of $0.6^{"} $ corresponding to a projected distance of only 0.6 kpc. Performing SALT2 light curve fits to the gri ZTF photometry, we show that for these equally distant "standardizable candles", there is a difference of 2 magnitudes in their rest frame B-band peaks, and the fainter SN has a significantly red SALT2 colour $c = 0.57 \pm$ 0.04, while the stretch values $x_1$ of the two SNe are similar, suggesting that the fainter SN is attenuated by dust in the interstellar medium of the host galaxy. We use these measurements to infer the SALT2 colour standardization parameter, $\beta$ = 3.5 $\pm$ 0.3, independent of the underlying cosmology and Malmquist bias. Assuming the colour excess is entirely due to dust, the result differs by $2\sigma$ from the average Milky-Way total-to-selective extinction ratio, but is in good agreement with the colour-brightness corrections empirically derived from the most recent SN Ia Hubble-Lemaitre diagram fits. Thus we suggest that SN "siblings", which will increasingly be discovered in the coming years, can be used to probe the validity of the colour and lightcurve shape corrections using in SN Ia cosmology while avoiding important systematic effects in their inference from global multi-parameter fits to inhomogeneous data-sets, and also help constrain the role of interstellar dust in SN Ia cosmology.

研究の動機と目的

• 宇宙論的モデルに依存しないSALT2色標準化パラメータ𝛽の測定を提供し、SN Ia宇宙論における系統的不確実性を低減すること。
• 観測された色-光度関係が主に宿主銀河内でのチリの散乱によるものか、それとも固有のSN Ia色の変動によるものかを検証すること。
• 従来のグローバルフィットに影響を及ぼす系統的誤差（マールムクイストバイアス、選択効果、宿主銀河環境依存性）を軽減すること。
• 広域探査で次第に多く発見される姉妹SN Iaペアが、最小限の仮定でSN Ia標準化を調べるのに有効であることを示すこと。
• シミュレーテッド集団モデルや複雑な調査補正に依存せずに、SN Iaの明るさ補正における星間チリの役割を制限すること。

提案手法

• 赤方偏移z = 0.0541の同じ宿主銀河内に存在する2つの型Ia超新星（SN 2019mjtとSN 2019mjo）を特定。200日および0.6 kpcの距離で分離している。
• ZTFのgriz光度測定値にSALT2光曲線をフィットし、rest-frame 𝐵バンドのピーク等級、色（𝑐）、ストレッチ（𝑥1）パラメータを導出。
• 2つの超新星が同じ距離（同じ銀河内）に位置することを活かし、明るさに及ぼす色と光曲線形状の影響を分離。これにより、宇宙論的距離依存性を排除。
• 尤度に基づく推論を用いて、姉妹超新星間の明るさ差と色差から色標準化パラメータ𝛽を導出。
• 観測された明るさ差がチリ散乱によるものであると仮定し、推定された𝛽をミルキーウェイの全散乱比対選択的散乱比𝑅𝑉 ≈ 3.1と比較。
• 最近のハッブル図フィットから得られた経験的𝛽値と比較することで、結果の妥当性を検証。これにより、SN Iaの文献全体と整合性があることを確認。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 姉妹SN Iaペアを用いて、宇宙論的モデルや選択バイアスに依存しないSALT2色標準化パラメータ𝛽を測定できるか？
• RQ2 観測されたSN Iaの色-光度関係は、主に宿主銀河内のチリ散乱によるものか、それとも固有の色変動によるものか？
• RQ3 姉妹ペアから推定された𝛽は、ミルキーウェイの散乱比𝑅𝑉 ≈ 3.1と比較してどう異なるか？また、これはSN Ia宿主銀河内チリの性質に何を示唆するか？
• RQ4 グローバルな多パラメータフィットと比較して、姉妹SN IaペアはSN Ia標準化における系統的不確実性をどの程度低減できるか？
• RQ5 今後の姉妹SN Iaペアのサンプルで、光曲線形状の異なる超新星を用いて𝛼と𝛽を同時に制限することが可能か？

主な発見

• 姉妹SN Ia（SN 2019mjtとSN 2019mjo）は同じ赤方偏移（z = 0.0541）にあり、0.6 kpcの距離で分離しており、共通の宿主銀河に属していることが確認された。
• SALT2光曲線フィットの結果、rest-frame 𝐵バンドピーク明るさに2等級の差が認められ、やや明るい方の超新星は著しく赤い色（𝑐 = 0.57 ± 0.04）で、ストレッチ（𝑥1）値はほぼ同一であった。
• 宇宙論的モデル依存性やマールムクイストバイアス補正なしに導出された色標準化パラメータは𝛽 = 3.5 ± 0.3であった。
• この値は、ミルキーウェイの平均全散乱比（𝑅𝑉 ≈ 4.1）よりも2𝜎低い。これは、宿主銀河内チリの性質がミルキーウェイとは異なる可能性を示唆している。
• 最近のハッブル図フィットから得られた経験的𝛽値（𝛽 ≈ 3.0–3.1）と良好に一致しており、本手法が現在のSN Ia文脈と整合していることを検証した。
• 本研究は、姉妹SN Iaペアが、シミュレーションや複雑な調査補正に依存せず、SN Ia標準化を強力に独立して探査する有効な手段であることを示した。