[논문 리뷰] Carnegie Supernova Project-I and -II: Measurements of $H_0$ using Cepheid, TRGB, and SBF Distance Calibration to Type Ia Supernovae

S. A. Uddin, C. R. Burns외 45명|arXiv (Cornell University)|2023. 08. 03.

Gamma-ray bursts and supernovae인용 수 14

한 줄 요약

이 연구는 CSP-I 및 CSP-II Type Ia 초신성 데이터를 Cepheid, TRGB 및 SBF 거리 기준점과 결합하여 여러 밴드에서 H0를 측정하고, 정확한 지역 H0 값을 제시하며 체계적 불확실성을 평가한다.

ABSTRACT

We present an analysis of Type Ia Supernovae (SNe~Ia) from both the Carnegie Supernova Project~I (CSP-I) and II (CSP-II), and extend the Hubble diagram from the optical to the near-infrared wavelengths ($uBgVriYJH$). We calculate the Hubble constant, $H_0$, using various distance calibrators: Cepheids, Tip of the Red Giant Branch (TRGB), and Surface Brightness Fluctuations (SBF). Combining all methods of calibrations, we derive $ m H_0=71.76 \pm 0.58 \ (stat) \pm 1.19 \ (sys) \ km \ s^{-1} \ Mpc^{-1}$ from $B$-band, and $ m H_0=73.22 \pm 0.68 \ (stat) \pm 1.28 \ (sys) \ km \ s^{-1} \ Mpc^{-1}$ from $H$-band. By assigning equal weight to the Cepheid, TRGB, and SBF calibrators, we derive the systematic errors required for consistency in the first rung of the distance ladder, resulting in a systematic error of $1.2\sim 1.3 m \ km \ s^{-1} \ Mpc^{-1}$ in $H_0$. As a result, relative to the statistics-only uncertainty, the tension between the late-time $H_0$ we derive by combining the various distance calibrators and the early-time $H_0$ from the Cosmic Microwave Background is reduced. The highest precision in SN~Ia luminosity is found in the $Y$ band ($0.12\pm0.01$ mag), as defined by the intrinsic scatter ($σ_{int}$). We revisit SN~Ia Hubble residual-host mass correlations and recover previous results that these correlations do not change significantly between the optical and the near-infrared wavelengths. Finally, SNe~Ia that explode beyond 10 kpc from their host centers exhibit smaller dispersion in their luminosity, confirming our earlier findings. Reduced effect of dust in the outskirt of hosts may be responsible for this effect.

연구 동기 및 목표

• CSP SNe Ia를 Cepheid, TRGB, SBF 등 여러 거리 기준점으로 보정하여 H0를 결정한다.
• 광학에서 근적외선(uBgVriYJH)으로 SN Ia 허블 다이어그램을 확장하여 밴드 간 표준화를 비교한다.
• SN Ia 광도에서 고유 분산, 교정자에 의한 시스템오차, 호스트 은하 질량 효과를 정량화한다.
• SN Ia 허블 잔차와 호스트 은하 특성 및 호스트 내 반경 의존성(호스트 중심으로의 거리) 등을 조사한다.

제안 방법

• uBgVriYJH 밴드에서 CSP-I 및 CSP-II SN Ia 광측광을 수집하고 SNooPy로 음영곡선을 피팅하여 최대 광도, 색, 및 sBV를 얻는다.
• 거리 모듈러스 방정식에서 색(color), 스트레치(sBV), 및 선형 호스트 질량 보정(경사 alpha)을 포함하는 광도 표준화를 적용한다.
• 가능한 경우 우주론적(Lambda CDM) 거리 또는 Cepheid/TRGB/SBF 보정을 사용하여 모델 거리 모듄스를 구성한다.
• 측정 오차, 고유 분산 및 특이 속도 불확실성을 포함하는 카이제곱 통계량을 계산하여 H0 및 체계오차를 추론한다.
• 다른 보정기 및 밴드에서 도출된 H0를 비교하고 호스트-은하 질량 및 SN 잔차의 영향을 평가한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 CSP-I & CSP-II 샘플에서 Cepheid, TRGB 및 SBF 거리로 SN Ia를 보정할 때 H0 값은 얼마인가?
• RQ2 다른 보정기를 사용했을 때 광학 및 근적외선 밴드(uBgVriYJH)에서 H0 추정치는 어떻게 다르게 나타나는가?
• RQ3 거리 사다리의 첫 번째 고정단으로 여러 거리 기준점을 결합할 때의 체계적 불확실성은 무엇인가?
• RQ4 SN Ia 허블 잔차 및 호스트 질량 의존성은 광학과 근적외선 파장대에서도 지속되는가?
• RQ5 은하 중심 거리(예: 10 kpc 이상)에서 SN Ia 광도 분산은 은하-질량과 어떤 관련이 있는가?

주요 결과

• 결합 보정은 B-band에서 H0 = 71.76 ± 0.58 (stat) ± 1.19 (sys) km s^-1 Mpc^-1를 도출한다.
• 결합 보정은 H-band에서 H0 = 73.22 ± 0.68 (stat) ± 1.28 (sys) km s^-1 Mpc^-1를 도출한다.
• Cepheid, TRGB 및 SBF 보정기를 동일 가중치로 할당하면 H0에 대해 약 1.2–1.3 km s^-1 Mpc^-1의 체계적 불확실성 대역이 형성된다.
• Y-band에서 SN Ia 광도 정밀도가 가장 높으며 고유 분산은 0.12 ± 0.01 mag이다.
• SN Ia 허블 잔차-호스트 질량 상관관계를 재검토한 결과 광학과 근적외선 파장 간에 유의한 차이는 나타나지 않는다.
• 호스트 중심에서 10 kpc를 초과하는 초신성의 경우 광도 분산이 감소하여 먼지 효과가 가장자리에서 더 작게 나타난다.