[논문 리뷰] Hubble Residuals of Nearby SN Ia Are Correlated with Host Galaxy Masses

Patrick L. Kelly, M. Hicken외 3명|arXiv (Cornell University)|2009. 12. 04.

Gamma-ray bursts and supernovae인용 수 1

한 줄 요약

이 연구는 저 redshift (z < 0.08) 에서 더 질량이 크고 크기가 큰 주변 은하를 가진 Type Ia 초신성(SN Ia)이 네 대의 라이트 커브 피터에 대해 일관되게 더 밝은 허블 잔차를 보이며, 라이트 커브 보정 후 약 10% 더 밝아지는 것으로 나타났다. 이는 유의미도 약 2.5σ 수준이다. 라이트 커브 파rameter의 추세를 보정한 후에도 이 효과가 유지되므로, 주변 은하 질량이 SN Ia 거리 측정의 핵심 체계적 오차로 작용할 가능성이 있다.

ABSTRACT

From Sloan Digital Sky Survey u'g'r'i'z' imaging, we estimate the stellar masses of the host galaxies of 70 low redshift SN Ia (0.015 < z < 0.08) from the hosts' absolute luminosities and mass-to-light ratios. These nearby SN were discovered largely by searches targeting luminous galaxies, and we find that their host galaxies are substantially more massive than the hosts of SN discovered by the flux-limited Supernova Legacy Survey. Testing four separate light curve fitters, we detect ~2.5{\sigma} correlations of Hubble residuals with both host galaxy size and stellar mass, such that SN Ia occurring in physically larger, more massive hosts are ~10% brighter after light curve correction. The Hubble residual is the deviation of the inferred distance modulus to the SN, calculated from its apparent luminosity and light curve properties, away from the expected value at the SN redshift. Marginalizing over linear trends in Hubble residuals with light curve parameters shows that the correlations cannot be attributed to a light curve-dependent calibration error. Combining 180 higher-redshift ESSENCE, SNLS, and HigherZ SN with 30 nearby SN whose host masses are less than 10^10.8 solar masses in a cosmology fit yields 1+w=0.22 +0.152/-0.143, while a combination where the 30 nearby SN instead have host masses greater than 10^10.8 solar masses yields 1+w=-0.03 +0.217/-0.108. Progenitor metallicity, stellar population age, and dust extinction correlate with galaxy mass and may be responsible for these systematic effects. Host galaxy measurements will yield improved distances to SN Ia.

연구 동기 및 목표

• 저 redshift SN Ia의 허블 잔차와 주변 은하 성질, 특히 항성 질량과 크기 사이의 상관관계를 조사하는 것.
• 이 상관관계가 라이트 커브 피터의 校정 오차에서 기인하는지, 아니면 본질적인 천체물리학적 체계적 오차에서 기인하는지 판단하는 것.
• 주변 은하 질량이 천체론적 파rameter 추정, 특히 w(어두운 에너지 상태 방정식)에 미치는 영향을 평가하는 것.
• 주변 은하 질량과 관련된 원천 금속 농도, 항성 집단 연령 또는-dust 흡수율 등이 관측된 체계적 오차를 이끌 수 있는지 탐색하는 것.

제안 방법

• 70개의 근접한 SN Ia 주변 은하의 항성 질량을 추정하기 위해 Sloan Digital Sky Survey u'g'r'i'z' 광도 측정 자료를 사용하였으며, 절대 광도와 질량-광도 비율을 기반으로 하였다.
• 주변 은하의 크기와 항성 질량을 측정하여 허블 잔차와의 상관관계를 테스트하였으며, 허블 잔차는 초신성의 redshift에서 예상되는 값과의 거리 모듈러스의 편차로 정의되었다.
• 관측된 상관관계의 강건성을 확보하고 校정 의존성 오류를 배제하기 위해 네 가지 독립적인 라이트 커브 피터를 적용하였다.
• 180개의 고redshift SN Ia(ESSENCE, SNLS, HigherZ)와 30개의 근접한 SN Ia를 조합하여 천체론적 피팅을 수행하였으며, 주변 은하 질량 기반으로 나누어(10^10.8 M☉ 이하 vs. 초과) 1+w에 미치는 영향을 평가하였다.
• 라이트 커브 파rameter와의 선형 추세를 통합하여 주변 은하 질량의 기여를 분리하였다.
• 금속 농도, 항성 집단 연령, 먼지 흡수율 등 물리적 원인을 탐색하였으며, 이들은 주로 주변 은하 질량과 상관된다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 저redshift SN Ia의 허블 잔차와 주변 은하의 항성 질량 또는 크기 사이에 유의미한 상관관계가 존재하는가?
• RQ2 관측된 상관관계는 라이트 커브 피터의 체계적 오류나 校정 오류로 설명될 수 있는가?
• RQ3 주변 은하 질량의 포함 여부가 천체론적 파rameter 추정, 특히 어두운 에너지 상태 방정식 w에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 주변 은하 질량과 관련된 원천 금속 농도, 항성 집단 연령 또는 먼지 흡수율 등이 관측된 허블 잔차 추세의 원인인가?

주요 결과

• 근접한 SN Ia의 허블 잔차는 주변 은하의 크기와 항성 질량과 약 2.5σ 상관관계를 보이며, 이는 더 크고 질량이 큰 은하에서 라이트 커브 보정 후 약 10% 더 밝은 초신성이 관측됨을 시사한다.
• 라이트 커브 파ram터와의 선형 추세를 통합한 후에도 상관관계가 유지되어, 校정 오류가 주요 원인임을 배제한다.
• 주변 은하 질량이 10^10.8 M☉ 이하인 근접한 SN Ia를 고redshift SN Ia와 조합할 경우, 천체론적 피팅 결과로 1+w = 0.22 +0.152/-0.143 가 도출된다.
• 반대로 주변 은하 질량이 10^10.8 M☉ 초과인 근접한 SN Ia를 사용할 경우, 피팅 결과로 1+w = -0.03 +0.217/-0.108 가 도출되며, 이는 추정된 어두운 에너지 성질에 변화가 있음을 시사한다.
• 관측된 체계적 오차는 주로 주변 은하 질량과 관련된 천체물리적 요인, 예를 들어 원천 금속 농도, 항성 집단 연령, 먼지 흡수율 등에 기인한 것으로 보인다.
• 정확한 주변 은하 측정을 통해 이러한 질량에 의존하는 체계적 오차를 보정함으로써 SN Ia 거리 추정의 정확도를 향상시킬 수 있다.