[논문 리뷰] An updated measurement of the Hubble constant from near-infrared observations of Type Ia supernovae

L. Galbany, Thomas de Jaeger외 12명|arXiv (Cornell University)|2022. 09. 06.

Gamma-ray bursts and supernovae인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 근적외선(NIR) 영역에서 19개의 보정용 초신성 Ia(SNe Ia)의 광도 측정과 허블 흐름 내 57개의 SNe Ia를 사용하여 허블 상수($H_0$)를 신규로 측정한다. 가우시안 프로세스와 스퍼인 보간을 적용하여 최대 밝기 값을 유도한다. 결과는 $H_0 = 72.3 \pm 1.4\,( ext{stat}) \pm 1.4\,( ext{syst})$ km s$^{-1}$ Mpc$^{-1}$로, $J$ 및 $H$ 파장대에서 동일하게 얻어졌으며, 총 정밀도는 2.8%에 이르며 국소적 거리 계단과의 일관성을 확인하지만, 플랑크 CMB 기반 추정치와는 2.3–2.4σ 수준에서 불일치한다.

ABSTRACT

We present a measurement of the Hubble constant ($H_0$) using type Ia supernova (SNe Ia) in the near-infrared (NIR) from the recently updated sample of SNe Ia in nearby galaxies with distances measured via Cepheid period-luminosity relations by the SHOES project. We collect public near-infrared photometry of up to 19 calibrator SNe Ia and further 57 SNe Ia in the Hubble flow ($z>0.01$), and directly measure their peak magnitudes in the $J$ and $H$ band by Gaussian processes and spline interpolation. Calibrator peak magnitudes together with Cepheid-based distances are used to estimate the average absolute magnitude in each band, while Hubble-flow SNe are used to constrain the zero-point intercept of the magnitude-redshift relation. Our baseline result of $H_0$ is $72.3\pm1.4$ (stat) $\pm1.4$ (syst) km s$^{-1}$ Mpc$^{-1}$ in the $J$ band and $72.3\pm1.3$ (stat) $\pm1.4$ (syst) km s$^{-1}$ Mpc$^{-1}$ in the $H$ band, where the systematic uncertainties include the standard deviation of up to 21 variations of the analysis, the 0.7\% distance scale systematic from SHOES Cepheid anchors, a photometric zeropoint systematic, and a cosmic variance systematic. Our final measurement represents a measurement with a precision of 2.8\% in both bands. The variant with the largest change in $H_0$ is when limiting the sample to SNe from CSP and CfA programmes, noteworthy because these are the best calibrated, yielding $H_0\sim75$ km s$^{-1}$ Mpc$^{-1}$ in both bands. We demonstrate stretch and reddening corrections are still useful in the NIR to standardize SN Ia NIR peak magnitudes. Based on our results, in order to improve the precision of the $H_0$ measurement with SNe Ia in the NIR in the future, we would need to increase the number of calibrator SNe Ia, be able to extend the Hubble-Lemaître diagram to higher-z, and include standardization procedures to help reducing the NIR intrinsic scatter.

연구 동기 및 목표

• 광학 대역보다 체계적 불확실성을 줄이기 위해 근적외선(NIR) 영역에서의 초신성 Ia(SNe Ia) 광선 곡선을 이용하여 허블 상수($H_0$)를 측정하는 것.
• 근적외선 영역의 SNe Ia가 천체물리적 거리 측정의 강력하고 정밀한 대안이 될 수 있는지 테스트하는 것.
• 광선 곡선 표준화(스티치 및 색상 보정)가 근적외선 최대 밝기의 내재 산란을 줄이는 데 미치는 영향을 평가하는 것.
• 향후 근적외선 설문 조사가 보정용 및 허블 흐름 SNe Ia 샘플을 증가시켜 $H_0$ 정밀도를 향상시킬 잠재력을 평가하는 것.

제안 방법

• 공개된 근적외선(J 및 H 파장대) 광도 측정 자료를 이용하여, 19개의 시에피드 보정용 SNe Ia와 57개의 허블 흐름 SNe Ia를 확보하였다.
• 희박한 광선 곡선으로부터 정확한 최대 밝기 값을 유도하기 위해 가우시안 프로세스와 스퍼인 보간을 사용하였다.
• SHOES 프로젝트에서 확보한 시에피드 거리 자료를 이용하여 각 파장대의 평균 절대 밝기 값을 보정하였다.
• 허블 흐름 SNe Ia를 이용하여 밝기-적색편이 관계를 피팅하여 허블 상수의 영점(Zero-point)을 결정하였다.
• 거리 척도, 광도 기준점, 천체 우주 변동성 등의 체계적 불확실성을 포함한 21개의 분석 변형을 통해 체계적 불확실성을 정량화하였다.
• 광학+NIR 데이터에 대한 SNooPy 피팅을 이용하여 스티치 및 색상 보정을 통해 표준화를 탐색하여 내재 산란을 감소시켰다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 근적외선 영역에서의 초신성 Ia 관측이 광학 대역에 비해 체계적 오차를 줄이고 정밀도 높은 허블 상수 측정을 가능하게 할 수 있는가?
• RQ2 스티치 및 색상 보정은 근적외선 최대 밝기의 표준화에 어떤 영향을 미치며, 그로 인해 $H_0$의 불확실성은 어떻게 변화하는가?
• RQ3 거리 척도, 광도 기준점, 천체 우주 변동성 등의 체계적 불확실성은 근적외선 영역에서의 최종 $H_0$ 결정에 어느 정도의 영향을 미치는가?
• RQ4 근적외선 데이터의 사용이 광학 기반 거리 계단 측정에서 발생하는 편향을 완화시키는가?
• RQ5 근적외선 SNe Ia를 이용하여 $H_0$ 정밀도를 2% 이하로 끌어올리기 위해 어떤 개선이 필요한가?

주요 결과

• 기본 $H_0$ 측정값은 $J$ 및 $H$ 파장대에서 모두 $72.3 \pm 1.4\,( ext{stat}) \pm 1.4\,( ext{syst})$ km s$^{-1}$ Mpc$^{-1}$이며, 총 정밀도는 2.8%에 이른다.
• 결과는 R22 국소적 거리 계단 측정값과 0.3σ 수준에서 일치하여, 광학 체계적 오차가 $H_0$ 측정에 영향을 주지 않음을 확인한다.
• 결과는 플랑크 CMB 기반의 $H_0$ 추정치와 2.3–2.4σ 수준에서 불일치하여, 허블 긴장(Hubble tension)을 강화한다.
• CSP 및 CfA 프로그램에서 양호하게 보정된 SNe로 샘플을 제한할 경우 $H_0 \sim 75$ km s$^{-1}$ Mpc$^{-1}$로 도출되어 국소적 추정치와 개선된 일치를 보인다.
• 스티치 및 색상 보정은 근적외선 절대 밝기의 내재 산란을 감소시키며, $H_0$ 정밀도에 미치는 영향는 측정 가능하지만 작다.
• 향후 개선을 위해서는 더 많은 보정용 SNe Ia, $z \sim 0.7$까지 확장된 허블 흐름 샘플, 그리고 근적외선 광선 곡선의 보다 나은 표준화가 필요하다.