[논문 리뷰] The Carnegie-Chicago Hubble Program. I. A New Approach to the Distance Ladder Using Only Distance Indicators of Population II

Rachael L. Beaton, Wendy L. Freedman외 16명|arXiv (Cornell University)|2016. 04. 06.

Gamma-ray bursts and supernovae인용 수 7

한 줄 요약

이 논문은 Cepheid 변수와 Large Magellanic Cloud에 의존하지 않고, 오직 Population II 항성—RR Lyrae 변수, 적색거성지점(TRGB), 및 Type Ia 초신성—을 사용하는 대안적 거리계를 소개한다. Hubble와 Gaia의 정밀 측정을 활용하여 금속성과 투명도의 체계적 오차를 줄이고, 3% 이내의 정밀도를 달성한다.

ABSTRACT

We present an overview of the Carnegie-Chicago Hubble Program, an ongoing program to obtain a 3 per cent measurement of the Hubble constant using alternative methods to the traditional Cepheid scale. We aim to establish a completely independent route to the Hubble constant using RR Lyrae variables, the tip of the red giant branch (TRGB), and Type Ia supernovae (SNe Ia). This alternative can be applied to galaxies of any Hubble Type, of any inclination, and, utilizing old stars in low density environments, is robust to the degenerate effects of metallicity and interstellar extinction. Given the relatively small number of SNe Ia host galaxies with independently measured distances, these properties provide a great systematic advantage in the measurement of the Hubble constant via the ladder. Initially, the accuracy of our value of the Hubble constant will be set by the five Galactic RR Lyrae calibrators with Hubble Space Telescope Fine-Guidance Sensor parallaxes. With Gaia, both the RR Lyrae zero point and TRGB method will be independently calibrated, the former with at least an order of magnitude more calibrators and the latter directly through parallax measurement of tip red giants. As the first end-to-end distance ladder completely independent of both Cepheid variables and the Large Magellanic Cloud, this path to the Hubble constant will allow for the high precision comparison at each rung of the traditional that is necessary to understand tensions between this and other routes to the Hubble constant.

연구 동기 및 목표

• Cepheid 변수와 Large Magellanic Cloud에 의존하지 않는 완전히 독립적인 허블 상수 도달 방식을 확립하기 위해.
• 오래된 별이 흩어져 있는 낮은 밀도 환경에서의 금속성과 간섭에 기인한 체계적 오차를 줄이기 위해.
• Population II 지표에 기반한 완전히 일관된 거리계를 사용해 허블 상수를 3% 정밀도로 측정하기 위해.
• 기존 Cepheid 기반 거리계와의 고정밀 비교를 가능하게 하여 허블 상수 측정 간의 갈등을 진단하기 위해.
• Hubble와 Gaia의 정밀 측정을 활용해 RR Lyrae와 TRGB 거리 지표를 더 정확하고 통계적으로 강력하게 보정하기 위해.

제안 방법

• Hubble 우주망원경의 정밀유도센서를 사용해 5개의 은하계 보정체를 기반으로 RR Lyrae 변수를 표준 캔들로 보정한다.
• 보조 거리 지표로 적색거성지점(TRGB) 방법을 적용하며, 향후 Gaia 정밀 측정을 통해 지점 적색거성의 직접 보정이 가능해진다.
• RR Lyrae와 TRGB 거리 측정을 조합해 은하계에서의 Type Ia 초신성 거리를 보정함으로써 거리계의 최상단 러닝을 형성한다.
• Cepheid 기반의 기준점에 의존하지 않고, RR Lyrae와 TRGB 거리가 SNe Ia 빛의 세기에 연결되는 계층적 접근법을 사용한다.
• 오래되고 금속 농도가 낮으며 낮은 밀도 환경에 존재하는 Population II 항성의 강건성을 활용해 간섭과 금속성에 기인한 혼동을 최소화한다.
• Gaia의 고정밀 정밀 측정을 활용해 RR Lyrae 보정체 수를 10배로 증가시키고, TRGB 항성의 정밀 측정을 직접 수행한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 오직 Population II 항성으로 구성된 거리계가 허블 상수를 정밀하고 독립적으로 측정할 수 있는가?
• RQ2 이 대안적 거리계에서 금속성과 간섭이 RR Lyrae 및 TRGB 거리 지표에 얼마나 큰 영향을 미치는가?
• RQ3 Gaia 보정된 RR Lyrae와 TRGB를 사용할 경우 현재 방법에 비해 허블 상수 측정의 정밀도가 얼마나 향상되는가?
• RQ4 이 방법이 Cepheid 기반과 우주마이크파운드배경 기반 허블 상수 측정 간의 갈등을 해결할 수 있는가?
• RQ5 완전히 Population II 거리 지표에서 유도된 허블 상수의 체계적 오차 예산은 어떠한가?

주요 결과

• Carnegie-Chicago Hubble Program는 Cepheid 변수와 Large Magellanic Cloud를 완전히 회피한 오직 Population II 항성으로 구성된 완전히 독립적인 거리계를 수립한다.
• 현재 허블 상수 측정의 정밀도는 Hubble 우주망원경의 정밀유도센서 정밀 측정을 통해 보정된 5개의 은하계 RR Lyrae 보정체에 의해 제한된다.
• Gaia는 RR Lyrae 보정체 수를 10배로 증가시켜 RR Lyrae 기준점의 통계적 강건성을 크게 향상시킬 수 있다.
• TRGB 방법은 Gaia의 지점 적색거성 정밀 측정을 통해 직접 보정될 수 있어 간접 보정 방법에 대한 의존도를 낮춘다.
• 오래되고 금속 농도가 낮은 별들이 흩어져 있는 낮은 밀도 환경을 사용함으로써 금속성과 간섭에 기인한 영향에 강건하다.
• 이 프로그램은 기존 Cepheid 기반 거리계와의 고정밀 비교를 가능하게 하여 허블 갈등 진단에 핵심적인 역할을 한다.