[論文レビュー] A Lockdown Perspective on the Hubble Tension (with comments from the SH0ES team)

G. Efstathiou|arXiv (Cornell University)|Jul 21, 2020

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena参考文献 11被引用数 84

ひとこと要約

この論文は、SH0ES Cepheidの校正と距離アンカーを再検討することでHubble tensionを分析し、Cepheid PL切片に潜む潜在的な系統的偏りを特定し、緊張を解決するためには独立した距離アンカー（特にNGC 4258）の必要性を論じる。

ABSTRACT

This is a transcript of a talk that I gave in Cambridge on 17th July 2020 on the `Hubble tension'. I review the SH0ES analyses by Riess and collaborators and point out some internal inconsistencies, including a discrepancy between the relative distances inferred from Cepheids of two of the primary geometric distance anchors, the Large Magellanic Cloud (LMC) and NGC 4258. I then ask `what would it take to make SH0ES compatible with early time measurements?'. The answer is a systematic bias of 0.1 - 0.15 mag in the intercept of the Cepheid period-luminosity relations of SH0ES galaxies. Such a bias resolves the Hubble tension, the tension between the distance anchors, and the difference between SH0ES and the tip of the red giant branch (TRGB) distance ladder, as measured and calibrated by Freedman and collaborators. I show that the difference between the TRGB and SH0ES values of H0 is caused mainly by a systematic calibration offset. In the short term, observational efforts should be focussed on improving the calibrations of the distance anchors and nearby galaxies, rather than trying to measure distance moduli to more supernovae host galaxies. I argue that an independent distance estimate to NGC 4258 is particularly critical. With such observations, it should be possible, on a relatively short timescale, to establish definitively whether the Hubble tension really exists.

研究の動機と目的

• 系統的誤差が SH0ES の H0 測定をバイアスする可能性とその方法を評価する
• 改訂版（R11 と R16）間の SH0ES Cepheid データと距離アンカーの一貫性を評価する
• 距離アンカー（LMC、NGC 4258、MW）間の緊張とそれが H0 に与える影響を調べる
• SH0ES の結果と TRGB 測定および早期宇宙の推定との適合性を検討する
• 近い将来の Hubble tension を解決するための観測優先事項を提案する

提案手法

• SH0ES Cepheid フレームワークを用いて、Magnitudeオフセットを δH0/H0 = 0.2 ln 10 δm（Eq. 2.1） で H0 の変化に変換する
• 銀河間の PL-関係の傾きを比較し、短周期での不完全性バイアスを特定する（Eq. 2.3, 2.4）
• R11 対 R16 の Cepheid および光度測定を個別比較する（Appendix A, Table 1）
• LMC と NGC 4258 の Cepheids を結合して切片と傾きを制約する（Eq. 3.3–3.4）
• PL-関係に金属量項を組み込み（Eq. 4.1）、H0 への影響を検討する
• Cepheid 切片のオフセットをシミュレーションして SH0ES の縮退を探る（Fig. 4.2）

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 系統的バイアスが SH0ES の Cepheid 校正を十分にバイアスして、SH0ES の H0 を初期宇宙の測定と整合させることができるか？
• RQ2 SH0ES フレームワーク内で LMC、NGC 4258、MW の距離アンカーは緊張しているか？
• RQ3 PL-傾きの不完全性と色/光度計系の系統が導出される H0 にどう影響するか？
• RQ4 近い将来、Hubble tension を解決するために最も重要な観測は何か？

主な発見

• SH0ES Cepheids で校正した場合、LMC と NGC 4258 の間に報告される緊張が存在する（Δμ_N4258 ≈ 0.177 mag、金属量を無視した場合約3.5σ）
• R16 の光度測定は予想よりも浅い PL の傾斜を示し、短周期での不完全性による潜在的バイアスを示唆; 固定傾斜 b = -3.30 を適用すると H0 が約 1.7 km/s/Mpc 移動する
• R11 と R16 の切片オフセット（a_-3.3）は H0 に約 2 km/s/Mpc の系統的シフトを示唆し、報告された SH0ES の誤差より大きい
• 金属量補正を含めると LMC–NGC 4258 の緊張は 2σ をわずかに超える程度に低減され、金属量項が結合フィットで重要であることを示す
• NGC 4258 と LMC のアンカーを用いた結合フィットは高い H0 を支持する傾向があり、几何的アンカーのモジュールと統計的に矛盾を示す。小さな光度オフセットが結果に大きく影響する「SH0ES の縮退」を浮き彫りにする
• アンカー間に系統差が存在する場合、距離アンカーを単純に平均化することには慎重であるべきだという広範な SH0ES 縮退の警告