[논문 리뷰] The Tip of the Red Giant Branch Distances to Type Ia Supernova Host Galaxies. V. NGC 3021, NGC 3370, and NGC 1309 and the value of the Hubble Constant

In Sung Jang, Myung Gyoon Lee|arXiv (Cornell University)|2017. 02. 03.

Gamma-ray bursts and supernovae참고 문헌 2인용 수 4

한 줄 요약

이 연구는 허블 우주 망원경 사진 측정을 통해 세 개의 Ia 초신성 대역성 은하—NGC 3021, NGC 3370, NGC 1309—에 대한 붉은 거대성 끝부분(TRGB) 거리를 결정하고, NGC 4258와 LMC에 기반한 개선된 TRGB 보정을 적용하여 $ H_0 = 71.17 \pm 1.66_{\text{random}} \pm 1.87_{\text{systematic}} $ km s⁻¹ Mpc⁻¹의 허블 상수를 유도한다. 이 값은 Cepheid 기반 SNe Ia와 CMB 기반 값 사이에 위치하며, 허블 긴장 문제를 완화시킨다.

ABSTRACT

We present final results of a program for the determination of the Hubble constant based on the calibration of the Type Ia supernovae (SNe Ia) using the Tip of the Red Giant Branch (TRGB). We report TRGB distances to three SN Ia host galaxies, NGC 3021, NGC 3370, and NGC 1309. We obtain F555W and F814W photometry of resolved stars from the archival Hubble Space Telescope data. Luminosity functions of red giant stars in the outer regions of these galaxies show the TRGB to be at I ~ QT = 28.2 ~ 28.5 mag. From these TRGB magnitudes and the revised TRGB calibration based on two distance anchors (NGC 4258 and the LMC) in Jang&Lee 2017, we derive the distances: (m-M)0 = 32.178 +- 0.033 for NGC 3021, 32.253 +- 0.041 for NGC 3370, and 32.471 +- 0.040 for NGC 1309. We update our previous results on the TRGB distances to five SN Ia host galaxies using the revised TRGB calibration. By combining the TRGB distance estimates to SN Ia host galaxies in this study with the SN Ia calibration provided by Riess et al. 2011, we obtain a value of the Hubble constant: H0 = 71.66 +- 1.80 (random) +- 1.88 (systematic) km/s/Mpc (a 3.6% uncertainty including systematics) from all eight SNe, and H0 = 73.72 +- 2.03 +- 1.94 km/s/Mpc (a 3.8% uncertainty) from six low-reddened SNe. We present our best estimate, H0 = 71.17 +- 1.66 +- 1.87 km/s/Mpc (a 3.5% uncertainty) from six low-reddened SNe with the recent SN Ia calibration in Riess et al. 2016. This value is between those from the Cepheid calibrated SNe Ia and those from the Cosmic Microwave Background (CMB) analysis, lowering the Hubble tension.

연구 동기 및 목표

• Ia 초신성의 빛의 강도를 보정하기 위해 붉은 거대성 끝부분(TRGB)을 거리 지표로 사용하는 것을 목적으로 한다.
• Cepheid 기반 보정과 독립적인 거리 단계 방법을 제공함으로써 허블 긴장을 해결하는 것을 목적으로 한다.
• NGC 4258와 LMC에 기반한 개선된 TRGB 보정을 사용하여 $ H_0 $ 추정의 체계적 불확실성을 줄이는 것을 목적으로 한다.
• Cepheid 거리가 초장수기 Cepheid으로 인해 편향될 수 있는 활성 성간 형성 은성에서 TRGB 거리의 강건성을 시험하는 것을 목적으로 한다.
• Cepheid 기반 결과와 CMB 기반 결과 사이에 위치하는 정밀하고 체계적 오차가 적은 허블 상수 추정치를 제공하는 것을 목적으로 한다.

제안 방법

• NGC 3021, NGC 3370, NGC 1309의 외부 할로 영역에서 분리된 항성에 대한 약한 F555W 및 F814W 사진 측정을 기존 허블 우주 망원경/ACS 관측 자료에서 확보하였다.
• 색-등급도(CMD)를 구성하여 붉은 거대성 브랜치(RGB) 항성을 식별하고, 빛의 강도 함수 방법을 사용하여 TRGB를 확인하였다.
• Jang & Lee(2017)에서 제안한 개선된 TRGB 보정을 적용하여 관측된 TRGB 등급을 절대 거리로 변환하였다. 이 보정은 NGC 4258와 LMC에 기반한다.
• Riess 등(2016)에서 제시한 SNe Ia 최대 등급 보정과 TRGB 거리를 결합하여 $ H_0 $를 유도하였으며, 먼지 흡수 편향을 최소화하기 위해 모든 SNe와 저색소 SNe의 부분 집합을 사용하였다.
• TRGB 거리와 Cepheid 거리를 공통된 은성에서 비교하여 체계적 불확실성을 정량화하였으며, 특히 NGC 4038/39에서 초장수기 Cepheid의 영향을 평가하였다.
• 여덟 개의 SNe Ia 대역성 은성에 대한 TRGB 거리의 가중 평균을 사용하고, 랜덤 오차와 체계적 오차를 포함한 최종 $ H_0 $ 추정치를 유도하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 HST 기록 자료를 사용하여 Ia 초신성 대역성 은성인 NGC 3021, NGC 3370, NGC 1309에 대한 TRGB 기반 거리는 무엇인가?
• RQ2 NGC 4258와 LMC에 기반한 개선된 TRGB 보정은 Cepheid 기반 보정과 비교하여 유도된 허블 상수에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 TRGB 거리가 Cepheid 기반 SNe Ia와 CMB 기반 $ H_0 $ 값 사이의 허블 긴장을 어느 정도 완화시키는가?
• RQ4 초장수기 Cepheid이 결과에 영향을 줄 수 있는 NGC 4038/39와 같은 은성에서 TRGB 거리는 Cepheid 거리와 어떻게 비교되는가?
• RQ5 TRGB 방법은 허블 상수 추정에서 Cepheid 기반 거리 단계의 강건하고 체계적 오차가 적은 대안을 제공할 수 있는가?

주요 결과

• NGC 3021의 TRGB 거리 모듈러스는 $ (m-M)_0 = 32.178 \pm 0.033 $ mag이며, NGC 3370는 $ 32.253 \pm 0.041 $ mag, NGC 1309는 $ 32.471 \pm 0.040 $ mag이다.
• NGC 4038/39의 TRGB 등급은 $ 28.398 \pm 0.040 $이며, 거리 모듈러스 $ (m-M)_0 = 32.471 \pm 0.040 $를 유도한다. 이 값은 Riess 등(2016)에서 제시한 Cepheid 거리보다 $ \Delta(m-M)_0 = 0.387 \pm 0.118 $ mag 크게 나타난다.
• NGC 4038/39의 TRGB 거리는 Riess 등(2011)에서 이전에 제시한 Cepheid 거리와 일치하며, Riess 등(2016)에서 관측된 격차는 초장수기 Cepheid으로 인한 것임을 시사한다.
• TRGB 보정을 사용하여 저색소 SNe Ia 6개를 기반으로 유도한 최종 허블 상수 추정치는 $ H_0 = 71.17 \pm 1.66_{\text{random}} \pm 1.87_{\text{systematic}} $ km s⁻¹ Mpc⁻¹이며, 총 불확실성은 3.5%이다.
• 이 값은 Cepheid 보정 SNe Ia 결과($ H_0 \approx 73.7 $ km s⁻¹ Mpc⁻¹)와 CMB 기반 결과($ H_0 \approx 67.8 $ km s⁻¹ Mpc⁻¹) 사이에 위치하며, 허블 긴장을 완화시킨다.
• TRGB 기반 $ H_0 $는 Freedman 등(2012)의 Cepheid 결과로부터 $ 1.08\sigma $ 이내, Riess 등(2016)의 결과로부터 $ 0.88\sigma $ 이내, Riess 등(2011)의 결과로부터 $ 0.56\sigma $ 이내에 위치하여, 체계적 영향을 고려할 경우 최근 Cepheid 보정 결과와 양호한 일치를 보인다.