[논문 리뷰] A Comprehensive Measurement of the Local Value of the Hubble Constant with 1 km/s/Mpc Uncertainty from the Hubble Space Telescope and the SH0ES Team

Adam G. Riess, Wenlong Yuan외 16명|arXiv (Cornell University)|2021. 12. 08.

Gamma-ray bursts and supernovae인용 수 194

한 줄 요약

이 논문은 HST, Gaia, maser/LMC/MW 거치를 이용해 42개의 SN Ia 호스트의 Cepheid를 분석하고 extensive 분석 변형을 탐구하여 1 km/s/Mpc의 불확실성으로 지역 H0를 결정합니다.

ABSTRACT

We report observations from HST of Cepheids in the hosts of 42 SNe Ia used to calibrate the Hubble constant (H0). These include all suitable SNe Ia in the last 40 years at z<0.01, measured with >1000 orbits, more than doubling the sample whose size limits the precision of H0. The Cepheids are calibrated geometrically from Gaia EDR3 parallaxes, masers in N4258 (here tripling that Cepheid sample), and DEBs in the LMC. The Cepheids were measured with the same WFC3 instrument and filters (F555W, F814W, F160W) to negate zeropoint errors. We present multiple verifications of Cepheid photometry and tests of background determinations that show measurements are accurate in the presence of crowding. The SNe calibrate the mag-z relation from the new Pantheon+ compilation, accounting here for covariance between all SN data, with host properties and SN surveys matched to negate differences. We decrease the uncertainty in H0 to 1 km/s/Mpc with systematics. We present a comprehensive set of ~70 analysis variants to explore the sensitivity of H0 to selections of anchors, SN surveys, z range, variations in the analysis of dust, metallicity, form of the P-L relation, SN color, flows, sample bifurcations, and simultaneous measurement of H(z). Our baseline result from the Cepheid-SN sample is H0=73.04+-1.04 km/s/Mpc, which includes systematics and lies near the median of all analysis variants. We demonstrate consistency with measures from HST of the TRGB between SN hosts and NGC 4258 with Cepheids and together these yield 72.53+-0.99. Including high-z SN Ia we find H0=73.30+-1.04 with q0=-0.51+-0.024. We find a 5-sigma difference with H0 predicted by Planck+LCDM, with no indication this arises from measurement errors or analysis variations considered to date. The source of this now long-standing discrepancy between direct and cosmological routes to determining the Hubble constant remains unknown.

연구 동기 및 목표

• Cepheid–SN Ia 거리 사다리의 체계오차를 최소화하여 지역 확장률 H0를 정량화합니다.
• 기하학적 거리를 기준으로 Cepheid 광도 보정( Gaia 프랄락스, NGC 4258 마서, LMC DEB)
• SN Ia 절대등급과 허블 흐름 SN 샘플을 교차 보정하여 H0를 도출합니다.
• 거의 70개의 분석 변형을 거치며 거치, SN 설문, 적색편이 범위, 먼지/금속효과 처리 등을 평가하여 강건성을 확인합니다

제안 방법

• Cepheids를 SN Ia 호스트에 연결하고 보정된 SN Ia 등급으로 이어지는 3단계 거리 사다리를 형성합니다.
• Wesenheit 등급을 사용하여 Cepheid의 적색편이를 제거하고 Cepheid 광도를 mH^W = μ0 + MH,1^W + bW(log P − 1) + ZW[O/H]로 모델링합니다.
• 선형대수적 프레임워크에서 공분산 인식 χ2 객관식을 통해 H0, SN Ia 광도, Cepheid 표준화 매개변수를 동시에 피팅합니다.
• 기하학적 거리 프라이어(NGC 4258, MW, LMC)를 포함하고 SN 데이터 및 호스트 특성 간의 공분산을 포함합니다.
• 지역 H0를 높은 적색편이 SN Ia 제약과 비교하고, 선택적으로 TRGB 거치를 포함하여 일관성을 테스트합니다

실험 결과

연구 질문

• RQ1 확장된 Cepheid–SN Ia 거리 사다리와 광범위한 거치를 사용했을 때 지역 H0의 값은 얼마인가?
• RQ2 기하학적 거치(Gaia, NGC 4258, LMC)와 SN 시스템오차가 H0의 불확실성과 중앙값에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 결과적으로 얻은 H0가 TRGB 기반 추정값 및 Planck ΛCDM 예측과 얼마나 일치하는가?
• RQ4 거치 선택, 먼지/금속 처리, P-L 관계 형태, SN 피팅 변형의 변화에 H0의 강건성은 어떤가?
• RQ5 고적색편이 SN Ia를 포함하는 것이 추론된 확장 역사(q0) 및 H0에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• Cepheid–SN Ia 샘플의 기본 H0 값은 73.04 ± 1.04 km s−1 Mpc−1(체계오류 포함)입니다.
• TRGB 거치를 포함하면 H0 = 72.53 ± 0.99 km s−1 Mpc−1입니다.
• 고적색편이 SN Ia를 포함하면 H0 = 73.30 ± 1.04 km s−1 Mpc−1이고 q0 = −0.51 ± 0.024입니다.
• 결과는 Planck CMB ΛCDM 예측과 약 5σ 차이가 있으며, 이 차이가 측정 불확실성이나 분석 변형에서 기인한다는 증거가 없습니다。