[논문 리뷰] The Evidence for the Long Distance Scale with H 0 < 65

Allan Sandage, G. Tammann|arXiv (Cornell University)|1996. 11. 20.

Gamma-ray bursts and supernovae참고 문헌 1인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 세 가지 독립적인 방법을 통해 낮은 허블 상수 H₀ ≈ 55 ± 10 km s⁻¹ Mpc⁻¹를 주장한다: Cepheid 거리로 校정된 Ia형 초신성, 여러 독립적 기법(예: Tully-Fisher 및 HST Cepheid 포함)을 사용한 Virgo 은하단 거리 측정, 그리고 선택 편향을 보정한 필드 은하수의 거리. 저자들은 높은 H₀ 값(>70)을 관측 편향을 보정하지 않은 기존 문헌의 오류 원인으로 간주하여 기각한다.

ABSTRACT

The status of the determination of the Hubble constant is reviewed, setting out the evidence for the long distance scale with H_0=55+/-5. In parallel, various precepts said to favor the short distance scale with H_0>70 are discussed. The strongest evidence for the long scale are (1) the calibration of the peak absolute magnitude of type Ia supernovae with their Hubble diagram, (2) the distance to the Virgo cluster by six largely independent methods, and (3) field spirals binned by luminosity class. The three methods give H_0=56+/-3, 55+/-2, and 53+/-3 (internal errors). H_0 does not vary significantly over scales from 10-500 Mpc. Higher values of H_0 still in the literature are based on (1) an untenably small distance to the Virgo cluster, (2) an untenably large Virgo cluster velocity, (3) a questionable route through the Coma cluster, (4) an incorrect precept that the Cepheid distance to NGC 1365 gives the distance to NGC 1613, parent to two SNe Ia, calibrating them, (5) an unjustified reliance on planetary nebulae and surface brightness fluctuations as distance indicators, and (6) either an underestimation or a neglect of the importance of observational selection bias in flux-limited samples. There is no valid evidence for H_0>70. The status of the time scale test is reviewed. The result is 13-14 (+/-2) Gyr for the age of the Galactic globular cluster system. There is no time scale crisis provided that q_0<0.3, H_0=55, and Lambda=0.

연구 동기 및 목표

• 최근 문헌에서 보고된 높은 H₀ 값(>70)의 타당성을 평가하여 허블 상수에 대한 끊임없는 논란을 해결하는 것.
• 다양한 독립적 거리 지표를 통해 낮은 H₀(≈55)에 대한 증거가 얼마나 견고한지 보여주는 것.
• 특히 Malmquist 및 Teerikorpi 편향을 포함한 관측 선택 편향이 광도 제한 표본에서 H₀ 추정치를 체계적으로 과대평가하는 방식을 규명하고 보정하는 것.
• 행 星간 성운, 표면 밝기 변동, 잘못된 은하단 거리 가정에 의존하는 고 H₀ 값을 주장하는 방법의 정당성을 도전하는 것.
• H₀ ≈ 55이고 q₀ < 0.3인 가정 하에, 은하수 고요한 별 집단의 연령(~13–14 Gyr)과 우주론 모델 간의 일치를 확보하여 시계열 위기를 피하는 것.

제안 방법

• 지역 은하에서 Cepheid 거리로 Ia형 초신성의 최대 절대 등급을 校정하고, 허블 다이어그램을 원거리 천체 운동 기준으로 연결한다.
• Virgo 은하단의 거리를 Tully-Fisher를 사용한 완전한 은하단 샘플과 HST Cepheid 자료를 포함한 여섯 가지 독립적 기법을 통해 추정하여 D ≈ 22 Mpc 및 H₀ ≈ 55 ± 2를 도출한다.
• 등급별 빛의 강도로 나누어진 필드 은하수를 분석하고, Malmquist 보정 등 편향 보정을 적용하며 Cepheid 거리로 校정하여 H₀ ≈ 53 ± 3을 산출한다.
• SNe Ia의 팽창하는 광구 모델, 은하단에서의 Sunyaev-Zeldovich 효과, 중력 렌즈 효과와 같은 물리적 거리 지표를 사용하여 H₀ ≈ 50–65를 교차 검증한다.
• 은하단 샘플(.Teerikorpi 편향)과 필드 은하수 샘플(Malmquist 편향)에서의 관측 선택 편향을 보정하고, 보정되지 않은 자료가 H₀ 추정치를 인위적으로 과대평가함을 보여준다.
• 시간 지연 및 Tolman 표면 밝기 테스트를 검토하여 우주의 팽창 실재성을 확인하고 H₀ 값의 일관성을 뒷받침한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 진정한 허블 상수의 값은 무엇이며, 가장 오래된 별의 연령과 일치하는가?
• RQ2 왜 많은 최근 연구에서 H₀ > 70을 보고하는가? 이러한 값들 뒤에 숨은 체계적 오차는 무엇인가?
• RQ3 광도 제한 표본에서 은하단 및 필드 은하수 연구의 H₀ 추정치에 영향을 미치는 관측 선택 편향의 정도는 어느 정도인가?
• RQ4 SNe Ia 모델, Sunyaev-Zeldovich 효과 등 독립적인 물리적 방법이 약 55 km s⁻¹ Mpc⁻¹ 수준의 낮은 H₀ 값을 확인할 수 있는가?
• RQ5 H₀ ≈ 55이고 은하수 고요한 별 집단의 연령이 약 ~13–14 Gyr일 경우, 우주의 시계열 위기가 발생하는가?

주요 결과

• Cepheid로 校정된 SNe Ia, 여섯 가지 독립적 기법으로 산출된 Virgo 은하단 거리, 선택 편향 보정된 필드 은하수를 기반으로 한 세 가지 주요 방법은 각각 H₀ = 56 ± 3, 55 ± 2, 53 ± 3(내부 오차)를 도출한다.
• 외부 오차 추정치를 통합하면 공통의 H₀ 값은 55 ± 10 km s⁻¹ Mpc⁻¹이며, 10에서 500 Mpc의 스케일에 걸쳐 유의미한 변동이 없다.
• 문헌에서 보고된 높은 H₀ 값(>70)은 Malmquist 편향(필드 은하수에서)과 Teerikorpi 편향(은하단 샘플에서)을 포함한 보정되지 않은 관측 선택 편향에서 기인한다.
• Virgo의 M100에 대한 Cepheid 거리가 은하단 평균 거리와 동일하다는 주장은 잘못되었으며, 이는 Virgo 거리가 잘못 작게 평가되고 H₀가 과대평가되는 원인이 된다.
• Fornax 은하단의 NGC 1365가 NGC 1613(두 개의 SNe Ia가 관측된 은하)의 거리를 정의한다는 가정은 물리적으로 정당하지 않으며, SNe Ia 최대 등급의 낮은 산란도를 위반한다.
• 은하수 고요한 별 집단의 연령은 13–14 Gyr(±2 Gyr)로 추정되며, 1 Gyr의 성장 기간을 고려하면 H₀ = 55와 q₀ < 0.3과 일치하여 표준 모델에서의 시계열 위기를 해결한다.