[论文解读] Carnegie Supernova Project-I and -II: Measurements of $H_0$ using Cepheid, TRGB, and SBF Distance Calibration to Type Ia Supernovae

S. A. Uddin, C. R. Burns+45 more|arXiv (Cornell University)|Aug 3, 2023

Gamma-ray bursts and supernovae被引用 14

一句话总结

本研究将 CSP-I 与 CSP-II Type Ia 超新星数据与 Cepheid、TRGB 和 SBF 距离锚结合，测量多波段的 H0，提供精确的局部 H0 值并评估系统误差。

ABSTRACT

We present an analysis of Type Ia Supernovae (SNe~Ia) from both the Carnegie Supernova Project~I (CSP-I) and II (CSP-II), and extend the Hubble diagram from the optical to the near-infrared wavelengths ($uBgVriYJH$). We calculate the Hubble constant, $H_0$, using various distance calibrators: Cepheids, Tip of the Red Giant Branch (TRGB), and Surface Brightness Fluctuations (SBF). Combining all methods of calibrations, we derive $ m H_0=71.76 \pm 0.58 \ (stat) \pm 1.19 \ (sys) \ km \ s^{-1} \ Mpc^{-1}$ from $B$-band, and $ m H_0=73.22 \pm 0.68 \ (stat) \pm 1.28 \ (sys) \ km \ s^{-1} \ Mpc^{-1}$ from $H$-band. By assigning equal weight to the Cepheid, TRGB, and SBF calibrators, we derive the systematic errors required for consistency in the first rung of the distance ladder, resulting in a systematic error of $1.2\sim 1.3 m \ km \ s^{-1} \ Mpc^{-1}$ in $H_0$. As a result, relative to the statistics-only uncertainty, the tension between the late-time $H_0$ we derive by combining the various distance calibrators and the early-time $H_0$ from the Cosmic Microwave Background is reduced. The highest precision in SN~Ia luminosity is found in the $Y$ band ($0.12\pm0.01$ mag), as defined by the intrinsic scatter ($σ_{int}$). We revisit SN~Ia Hubble residual-host mass correlations and recover previous results that these correlations do not change significantly between the optical and the near-infrared wavelengths. Finally, SNe~Ia that explode beyond 10 kpc from their host centers exhibit smaller dispersion in their luminosity, confirming our earlier findings. Reduced effect of dust in the outskirt of hosts may be responsible for this effect.

研究动机与目标

• 通过用 Cepheids、TRGB、SBF 对 CSP SNe Ia 进行多距离锚点标定来确定 H0。
• 将 SN Ia-Hubble 图从可见光扩展到近红外（uBgVriYJH），以比较各波段的标准化。
• 量化 SN Ia 光度的内在散射、校准者驱动的系统误差，以及宿主星系质量对 SN Ia 光度的影响。
• 研究 SN Ia Hubble 残差与宿主星系属性及在宿主中的径向依赖。

提出的方法

• 整理 CSP-I 和 CSP-II 的 SN Ia 在 uBgVriYJH 波段的光变观测并使用 SNooPy 拟合光曲线，以获得峰值幅度、颜色和 sBV。
• 在距离模量方程中应用包含颜色、伸缩（sBV）和随质量的线性校正的光度标准化，斜率 alpha。
• 使用宇宙学距离（Lambda CDM）或可用的 Cepheid/TRGB/SBF 标定来构建模型距离模量。
• 计算包含测量误差、内在散射和 peculiar velocity 不确定性的卡方统计量以推断 H0 及其系统误差。
• 比较来自不同标定器和波段的 H0，并评估宿主星系质量和 SN 残差的影响。

实验结果

研究问题

• RQ1 在 CSP-I & CSP-II 样本中用 Cepheid、TRGB 和 SBF 距离标定 SNe Ia 时的 H0 值是多少？
• RQ2 在不同标定器下，光学和近红外波段（uBgVriYJH）的 H0 估计有何差异？
• RQ3 将多种距离锚点结合用于距离梯的第一步所涉及的系统性不确定性有哪些？
• RQ4 SN Ia 的哈勃残差及其对宿主星系质量的依赖在光学和近红外波长是否持续？
• RQ5 SN Ia 光度散射是否依赖于宿主中的星系距离（例如超过 10 kpc）？

主要发现

• 结合标定得到 H0 = 71.76 ± 0.58 (stat) ± 1.19 (sys) km s^-1 Mpc^-1（B 波段）。
• 结合标定得到 H0 = 73.22 ± 0.68 (stat) ± 1.28 (sys) km s^-1 Mpc^-1（H 波段）。
• 给予 Cepheid、TRGB、SBF 标定等权重相等时，H0 的系统误差带约为 1.2–1.3 km s^-1 Mpc^-1。
• 在 Y 波段中 SN Ia 光度精度最高，内在散射为 0.12 ± 0.01 mag。
• 重新审视 SN Ia 哈勃残差-宿主质量相关性，发现光学与近红外波长之间无显著变化。
• 在宿主中心距离超过 10 kpc 的 SNe Ia 展开时显示光度散射降低，表明尘埃效应在边缘区域较小。