[논문 리뷰] Two c's in a pod: Cosmology independent measurement of the Type Ia supernova colour-luminosity relation with a sibling pair

Rahul Biswas, A. Goobar외 20명|arXiv (Cornell University)|2021. 03. 31.

Gamma-ray bursts and supernovae참고 문헌 98인용 수 15

한 줄 요약

이 논문은 동일한 은하계에서 200일 간격으로 발생하고 0.6 kpc 떨어져 있는 형제 초신성 Ia 두 개를 이용해 우주론에 의존하지 않는 초신성 Ia의 색도-광도 관계 측정을 제시한다 (z = 0.0541). ZTF 광도계측 자료에 SALT2 광도곡선을 피팅하여 𝛽 = 3.5 ± 0.3을 유도하였으며, 이는 최근의 전역 초신성 Ia 허블도 적합 결과와 일치하며, 우주론 모델 가정, 선택 편향, 또는 시뮬레이션 기반 보정에 영향을 받지 않는다.

ABSTRACT

Using Zwicky Transient Facility (ZTF) observations, we identify a pair of "sibling" Type Ia supernovae (SNe Ia), i.e., hosted by the same galaxy at z = 0.0541. They exploded within 200 days from each other at a separation of $0.6^{"} $ corresponding to a projected distance of only 0.6 kpc. Performing SALT2 light curve fits to the gri ZTF photometry, we show that for these equally distant "standardizable candles", there is a difference of 2 magnitudes in their rest frame B-band peaks, and the fainter SN has a significantly red SALT2 colour $c = 0.57 \pm$ 0.04, while the stretch values $x_1$ of the two SNe are similar, suggesting that the fainter SN is attenuated by dust in the interstellar medium of the host galaxy. We use these measurements to infer the SALT2 colour standardization parameter, $\beta$ = 3.5 $\pm$ 0.3, independent of the underlying cosmology and Malmquist bias. Assuming the colour excess is entirely due to dust, the result differs by $2\sigma$ from the average Milky-Way total-to-selective extinction ratio, but is in good agreement with the colour-brightness corrections empirically derived from the most recent SN Ia Hubble-Lemaitre diagram fits. Thus we suggest that SN "siblings", which will increasingly be discovered in the coming years, can be used to probe the validity of the colour and lightcurve shape corrections using in SN Ia cosmology while avoiding important systematic effects in their inference from global multi-parameter fits to inhomogeneous data-sets, and also help constrain the role of interstellar dust in SN Ia cosmology.

연구 동기 및 목표

• 초신성 Ia 우주론에서의 체계적 불확실성을 줄이기 위해 SALT2 색도 표준화 매개변수 𝛽를 우주론 모델에 의존하지 않고 측정하는 것.
• 관측된 색도-광도 관계가 주로 은하계 내 먼지 흡수 때문인지, 아니면 내재된 초신성 Ia 색도 변화 때문인지 테스트하는 것.
• 기존의 전역 적합에서 영향을 받는 체계적 오차, 예를 들어 말무이스트 편향, 선택 효과, 은하계 환경 의존성 등을 완화하는 것.
• 넓은 시야 탐색에서 점점 더 많이 발견되는 형제 초신성 Ia 쌍이, 최소한의 가정으로 초신성 Ia 표준화를 탐색하는 데 유용함을 보여주는 것.
• 시뮬레이션 기반 인구 모델이나 복잡한 탐색 보정에 의존하지 않고, 초신성 Ia 빛의 밝기 보정에서 간성 먼지의 역할을 제약하는 것.

제안 방법

• z = 0.0541에서 200일 간격으로 발생하고 0.6 kpc 떨어져 있는 동일한 은하계 내 두 개의 초신성 Ia(SN 2019mjt 및 SN 2019mjo)를 식별한다.
• ZTF griz 광도계측 자료에 SALT2 광도곡선을 피팅하여 고정된 기준계 𝐵 대역 최대 밝기, 색도(𝑐), 그리고 스트레치(𝑥1) 매개변수를 유도한다.
• 두 초신성이 동일한 거리(동일한 은하계)에 위치해 있음을 이용해 밝기의 차이가 색도와 광도곡선 형태에 기인한 영향을 고립시키며, 이를 통해 우주론적 거리 의존성을 제거한다.
• 가능도 기반 추론을 적용하여 형제 초신성 간의 관측된 밝기 차이와 색도 차이로부터 색도 표준화 매개변수 𝛽를 유도한다.
• 관측된 밝기 차이가 먼지 흡수 때문이라고 가정하고, 유도된 𝛽를 밀레니엄 은하계의 총 흡수비 대 선택적 흡수비 𝑅𝑉 ≈ 3.1과 비교한다.
• 최근의 허블도 적합에서 얻은 경험적 𝛽 값과 비교하여 결과의 타당성을 검증함으로써, 현재의 초신성 Ia 문헌과의 일관성을 확보한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 형제 초신성 Ia 쌍을 이용해 우주론 모델과 선택 편향에 의존하지 않고 SALT2 색도 표준화 매개변수 𝛽를 측정할 수 있는가?
• RQ2 관측된 초신성 Ia의 색도-광도 관계는 주로 은하계 내 먼지 흡수 때문인지, 아니면 내재된 색도 변화 때문인가?
• RQ3 형제 쌍으로부터 유도된 𝛽는 밀레니엄 은하계 흡수비 𝑅𝑉 ≈ 3.1과 어떻게 비교되며, 이는 초신성 Ia 은하계 내 먼지 성질에 대해 어떤 시사점을 갖는가?
• RQ4 형제 초신성 Ia 쌍은 기존의 다중 매개변수 전역 적합에 비해 초신성 Ia 표준화의 체계적 불확실성을 얼마나 줄일 수 있는가?
• RQ5 이 방법은 향후 다양한 광도곡선 형태를 가진 형제 초신성 Ia 샘플에서 𝛼와 𝛽를 동시에 제약하는 데 일반화될 수 있는가?

주요 결과

• 형제 초신성 Ia 두 개인 SN 2019mjt와 SN 2019mjo는 동일한 적색편이(z = 0.0541)를 가지며, 거리가 0.6 kpc 뿐이므로 동일한 은하계에 속해 있음을 확인하였다.
• SALT2 광도곡선 피팅 결과, 고정 기준계 𝐵 대역 최대 밝기에서 약 2등급의 밝기 차이가 나타났으며, 더 어두운 초신성은 뚜렷하게 빨간색 색도(𝑐 = 0.57 ± 0.04)를 보였고, 스트레치(𝑥1) 값은 유사하였다.
• 유도된 색도 표준화 매개변수는 𝛽 = 3.5 ± 0.3이며, 이는 우주론 모델 의존성이나 말무이스트 편향 보정 없이 도출되었다.
• 이 값은 밀레니엄 은하계 평균 총 흡수비 대 선택적 흡수비 𝑅𝑉 ≈ 4.1보다 2𝜎 낮아, 은하계 내 먼지 성질이 밀레니엄 은하계와 다를 수 있음을 시사한다.
• 최근의 전역 허블도 적합에서 유도된 경험적 𝛽 값 𝛽 ≈ 3.0–3.1과 양호한 일치를 보이며, 이 방법이 현재의 초신성 Ia 문헌과 일관성을 유지함을 검증하였다.
• 본 연구는 형제 초신성 Ia 쌍이 시뮬레이션과 복잡한 탐색 보정에 의존하지 않으며, 초신성 Ia 표준화를 탐색하는 데 강력한 독립적 도구가 될 수 있음을 보여주었다.