[논문 리뷰] A Redetermination of the Hubble Constant with the Hubble Space Telescope from a Differential Distance Ladder

Adam G. Riess, Macri, Lucas외 9명|2009. 05. 05.

Cosmology and Gravitation Theories인용 수 34

한 줄 요약

이 논문은 허블 우주 망원경을 이용한 Cepheid 변수 관측을 통해 허블 상수의 고정밀 측정을 제시한다. 이는 6개의 Ia 초신성 발생 은하계와 마저 거리 은하 NGC 4258에서 이루어졌으며, 균일한 적외선 광도 측정을 통해 체계적 오차를 줄이는 차등 거리계를 사용하였다. 결과적으로 $ H_0 = 74.2 \pm 3.6 $ km s⁻¹ Mpc⁻¹를 도출하였으며, 이는 4.8%의 불확도를 가지며 암흑 에너지 상태방정식에 대한 제약 조건을 $ w = -1.12 \pm 0.12 $로 향상시켰다. 이 결과는 고적색도 데이터에 의존하지 않는다.

ABSTRACT

We report observations of 240 Cepheid variables obtained with the Near Infrared Camera (NICMOS) through the F160W filter on the Hubble Space Telescope (HST). The Cepheids are distributed across six recent hosts of Type Ia supernovae (SNe Ia) and the "maser galaxy" NGC 4258, allowing us to directly calibrate the peak luminosities of the SNe Ia from the precise, geometric distance measurements provided by the masers. New features of our measurement include the use of the same instrument for all Cepheid measurements across the distance ladder and homogeneity of the Cepheid periods and metallicities thus necessitating only a differential measurement of Cepheid fluxes and reducing the largest systematic uncertainties in the determination of the fiducial SN Ia luminosity. The NICMOS measurements reduce differential extinction in the host galaxies by a factor of 5 over past optical data. Combined with an expanded of 240 SNe Ia at z<0.1 which define their magnitude-redshift relation, we find H_0=74.2 +/-3.6, a 4.8% uncertainty including both statistical and systematic errors. We show that the factor of 2.2 improvement in the precision of H_0 is a significant aid to the determination of the equation-of-state of dark energy, w = P/(rho c^2). Combined with the WMAP 5-year measurement of Omega_M h^2, we find w= -1.12 +/- 0.12 independent of high-redshift SNe Ia or baryon acoustic oscillations (BAO). This result is also consistent with analyses based on the combination of high-z SNe Ia and BAO. The constraints on w(z) now with high-z SNe Ia and BAO are consistent with a cosmological constant and improved by a factor of 3 from the refinement in H_0 alone. We show future improvements in H_0 are likely and will further contribute to multi-technique studies of dark energy.

연구 동기 및 목표

• 동일한 장비와 관측 조건을 사용하는 차등 거리계를 도입하여 허블 상수 측정의 체계적 불확도를 줄이는 것.
• 허블 우주 망원경의 NICMOS 장치를 모든 Cepheid 관측에서 일관되게 사용함으로써 교정 오차를 최소화하여 $ H_0 $의 정밀도를 향상시키는 것.
• 독립적인 은하계 Cepheid의 파라렐 측정을 통해 NGC 4258의 마저 기반 기하 거리가 거리계의 주요 기초로써의 탄탄함을 시험하는 것.
• 향상된 $ H_0 $를 위그너 마이크로파 비등방성도사진(WMAP) 5년치 데이터와 조합하여 암흑 에너지 상태방정식 $ w $에 대한 제약 조건을 향상시키는 것.
• 1% 정밀도로 $ H_0 $를 측정할 수 있다면, 다른 탐사 수단이 체계적 오차로 인해 제한되는 상황에서도 다기술적 암흑 에너지 연구에 크게 기여할 수 있음을 보여주는 것.

제안 방법

• 허블 우주 망원경의 근적외선 카메라 및 다중 물체 분광계(NICMOS)를 사용하여, 6개의 Ia 초신성 발생 은하계와 NGC 4258의 총 240개의 Cepheid 변수를 $ F160W $ 필터를 통해 관측하여 광도 측정의 균일성을 확보하였다.
• 핵내 마저를 이용해 유도된 NGC 4258의 기하 거리를 주요 기초로 삼아, Ia 초신성의 최대 빛의 강도를 직접 보정하였다.
• 동일한 기기와 필터를 사용함으로써 Cepheid의 밝기 차이를 비교하는 차등 광도 측정을 적용하여, 흡수 및 제로포인트 보정 오차를 최소화하였다.
• 적외선 관측은 먼지 흡수에 덜 민감하므로, 광학 데이터 대비 차등 흡수 효과를 약 5배 감소시켜 거리 정밀도를 크게 향상시켰다.
• 240개의 근접한 SNe Ia($ z < 0.1 $)의 Cepheid 기반 거리와 조합하여 밝기-적색편이 관계를 구축하고, 선형 회귀의 절편에서 $ H_0 $를 유도하였다.
• 허블 정밀 유도 센서를 이용한 은하계 Cepheid 10개의 독립적 파라렐 측정을 통해 마저 거리 기초의 타당성과 강건성을 검증하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 동일한 기기와 균일한 적외선 광도 측정을 사용하는 차등 거리계가 허블 상수 측정의 체계적 불확도를 줄일 수 있는가?
• RQ2 이전의 광학 기반 방법에 비해, NGC 4258의 기하 마저 거리를 주요 기초로 사용할 경우 $ H_0 $의 정밀도는 얼마나 향상되는가?
• RQ3 향상된 $ H_0 $ 측정이 고적색도 데이터에 의존하지 않고 암흑 에너지 상태방정식 $ w $에 대한 제약 조건을 얼마나 향상시키는가?
• RQ4 적외선 관측을 통해 차등 흡수를 줄이면 거리계의 총 불확도에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 미래에 $ H_0 $를 1% 정밀도로 측정할 경우, 바리온 음향 진동이나 고적색도 초신성과 같은 다른 암흑 에너지 탐사 수단의 체계적 오차를 보완할 수 있는가?

주요 결과

• 허블 상수는 $ H_0 = 74.2 \pm 3.6 $ km s⁻¹ Mpc⁻¹로 측정되었으며, 이는 통계적 및 체계적 오차를 포함한 4.8%의 불확도를 나타낸다.
• 모든 Cepheid 관측에서 동일한 기기(NICMOS)와 필터($ F160W $)를 사용함으로써 체계적 오차가 감소하였으며, 이는 차등 측정과 제로포인트 오차 최소화에 기여하였다.
• 적외선 광도 측정은 광학 데이터 대비 차등 흡수 효과를 약 5배 감소시켜 거리 정밀도를 크게 향상시켰다.
• 은하계 Cepheid의 독립적 파라렐 측정과의 일치성으로 인해 NGC 4258의 마저 거리는 탄탄한 기초로 확인되었다.
• 향상된 $ H_0 $를 WMAP 5년치 데이터와 조합하면 $ w = -1.12 \pm 0.12 $를 도출하였으며, 이는 고적색도 SNe Ia나 바리온 음향 진동에 의존하지 않는 결과로, 우주상수와 일치한다.
• 향상된 $ H_0 $ 정밀도로 인해 $ w(z) $에 대한 제약 조건이 약 3배 향상되었으며, 향후 약 1% 정밀도로 $ H_0 $를 측정할 경우 다기술적 암흑 에너지 연구에 크게 기여할 수 있음을 시사한다.