[논문 리뷰] A Uniform Type Ia Supernova Distance Ladder with the Zwicky Transient Facility: Absolute Calibration Based on the Tip of the Red Giant Branch (TRGB) Method

Suhail Dhawan, A. Goobar외 22명|arXiv (Cornell University)|2022. 03. 08.

Gamma-ray bursts and supernovae인용 수 1

한 줄 요약

이 논문은 주로 Zwicky Transient Facility (ZTF)를 사용하여 Type Ia 초신성의 거리 계단을 제안하며, 주로 적색거탑 끝점(Tip of the Red Giant Branch, TRGB) 방법을 통해 초신성의 휘도를 보정함으로써 주변은하계 및 광학 캘리브레이션 오차를 최소화한다. NGC7814의 SN 2021rhu에 대한 TRGB 거리와 볼륨 제한된 ZTF 허블 흐름 샘플을 사용하여 H₀ = 76.94 ± 6.4 km s⁻¹ Mpc⁻¹을 유도하며, 이는 허블 긴장 문제를 해결하기 위한 1.8% 정밀도 측정 방식을 제시한다.

ABSTRACT

The current Cepheid-calibrated distance ladder measurement of $H_0$ is reported to be in tension with the values inferred from the cosmic microwave background (CMB), assuming standard cosmology. However, some tip of the red giant branch (TRGB) estimates report $H_0$ in better agreement with the CMB. Hence, it is critical to reduce systematic uncertainties in local measurements to understand the Hubble tension. In this paper, we propose a uniform distance ladder between the second and third rungs, combining SNe~Ia observed by the Zwicky Transient Facility (ZTF) with a TRGB calibration of their absolute luminosity. A large, volume-limited sample of both calibrator and Hubble flow SNe~Ia from the \emph{same} survey minimizes two of the largest sources of systematics: host-galaxy bias and non-uniform photometric calibration. We present results from a pilot study using existing TRGB distance to the host galaxy of ZTF SN~Ia SN 2021rhu (aka ZTF21abiuvdk) in NGC7814. Combining the ZTF calibrator with a volume-limited sample from the first data release of ZTF Hubble flow SNe~Ia, we infer $H_0 = 76.94 \pm 6.4\, { m km}\,{ m s^{-1}}\,{ m Mpc^{-1}}$, an $8.3 \%$ measurement. The error budget is dominated by the single object calibrating the SN~Ia luminosity in this pilot study. However, the ZTF sample includes already five other SNe~Ia within $\sim$ 20 Mpc for which TRGB distances can be obtained with HST. Finally, we present the prospects of building this distance ladder out to 80 Mpc with JWST observations of more than one hundred ZTF SNe~Ia.

연구 동기 및 목표

• 단일 조사로 거리 계단을 통일하여 국지적 H₀ 측정의 체계적 불확실성을 줄이기 위해.
• 동일한 조사에서 유래한 SNe Ia의 볼륨 제한 샘플을 사용하여 주변은하계 편향과 광학 캘리브레이션 불일치를 최소화하기 위해.
• Cepheid 변수보다 주변 환경에 덜 민감한 TRGB 방법을 사용하여 Type Ia 초신성의 절대 휘도를 캘리브레이션하기 위해.
• 표준 천체론 모델 내에서 허블 긴장을 테스트하기 위한 정밀하고 독립적인 H₀ 측정을 가능하게 하기 위해.
• JWST 관측을 통해 80 Mpc 이내로 거리 계단을 연장하기 위한 기초를 마련하기 위해.

제안 방법

• Zwicky Transient Facility (ZTF)를 사용하여 동일한 광학 시스템 내에서 보정자 및 허블 흐름 SNe Ia의 볼륨 제한 샘플을 확보한다.
• 적색거탑 끝점(Tip of the Red Giant Branch, TRGB) 방법을 사용하여 SNe Ia의 주변 은하계 거리를 절대 거리로 결정하며, 잘 알려진 휘도를 갖는 TRGB를 표준 캘리브레이션 천체로 활용한다.
• NGC7814에 위치한 거리 20.5 Mpc인 SN 2021rhu의 TRGB 거리를 사용하여 SNe Ia의 절대 magnitude를 캘리브레이션한다.
• ZTF의 첫 번째 데이터 릴리스에서 확보한 133개의 허블 흐름 SNe Ia 샘플과 TRGB 캘리브레이션된 SNe Ia 휘도를 조합하여 H₀를 추정한다.
• 미래에 JWST를 활용하여 ZTF SNe Ia 100개 이상의 TRGB 거리를 확보하여 거리 계단을 80 Mpc로 확장할 계획을 수립한다.
• 보정자 및 허블 흐름 샘플 모두에 동일한 단일, 타겟되지 않은 조사를 사용함으로써 교차 캘리브레이션 및 환경 편향을 최소화하여 체계적 오차를 감소시킨다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 단일 조사에서 유래한 SNe Ia를 사용하여 통일된 거리 계단을 구축할 수 있는가? 이는 H₀ 측정의 체계적 불확실성을 줄이는 데 기여하는가?
• RQ2 Cepheid 대신 TRGB 방법을 사용할 경우, SNe Ia 휘도 캘리브레이션에서 주변 환경 편향은 어느 정도 감소하는가?
• RQ3 현재 및 향후 데이터를 기반으로 ZTF 기반 TRGB 캘리브레이션 거리 계단을 통해 H₀의 정밀도는 어느 정도 달성할 수 있는가?
• RQ4 TRGB의 영점 캘리브레이션 향상과 추가 앵커 은하계의 영향은 최종 H₀ 불확실성에 어떻게 작용하는가?
• RQ5 이 방법을 통해 H₀의 정밀도를 2% 이내로 끌어올리면 허블 긴장을 해결할 수 있는가?

주요 결과

• 파ilot 연구에서 SN 2021rhu의 TRGB 거리를 보정자로 사용하여 H₀ = 76.94 ± 6.4 km s⁻¹ Mpc⁻¹을 도출하였으며, 이는 8.3%의 측정 정밀도에 해당한다.
• 현재 오차 예산은 단일 보정자 SNe Ia의 불확실성에 의해 주로 좌우되며, ZTF 샘플 내에서 추가적인 TRGB 캘리브레이션된 SNe Ia가 필요함을 시사한다.
• ZTF 조사에는 현재 HST 기반 TRGB 거리를 확보할 수 있는 약 20 Mpc 이내의 다른 다섯 개의 SNe Ia가 포함되어 있어, 향후 보정 개선이 가능하다.
• 현재 TRGB 영점 불확실성 수준을 기반으로 이 방법은 향후 약 1.8%의 정밀도 H₀ 측정이 가능하며, 이는 허블 긴장을 독립적으로 테스트하기에 충분하다.
• 미래에 다수의 앵커 은하계와 향상된 광학 영점 캘리브레이션을 통해 이 방법은 H₀의 정밀도를 약 1.3%까지 끌어올릴 수 있다.
• 보정자 및 허블 흐름 SNe Ia 모두에 동일한 조사를 사용함으로써 교차 캘리브레이션 및 주변 환경 편향을 최소화하여 체계적 오차를 크게 감소시켰다.