[论文解读] Crowded No More: The Accuracy of the Hubble Constant Tested with High Resolution Observations of Cepheids by JWST

Adam G. Riess, Gagandeep S. Anand+8 more|arXiv (Cornell University)|Jul 28, 2023

Astronomical Observations and Instrumentation被引用 5

一句话总结

本研究利用詹姆斯·韦布空间望远镜（JWST）近红外相机（NIRCam）的高分辨率观测，检验哈勃空间望远镜（HST）造父变星测量中可能影响哈勃常数（H₀）测定的测光偏差。通过解析NGC 4258和NGC 5584中的密集恒星场，JWST将造父变星周光关系的离散度从0.45 mag降低至0.17 mag，使单个造父变星的测光精度从20%提升至7%，并发现HST与JWST在H₀上无显著差异（0.02 ± 0.04 mag），强烈表明恒星密集导致的系统误差并非哈勃张力的根源。

ABSTRACT

High-resolution JWST observations can test confusion-limited HST observations for a photometric bias that could affect extragalactic Cepheids and the determination of the Hubble constant. We present JWST NIRCAM observations in two epochs and three filters of >330 Cepheids in NGC4258 (which has a 1.5% maser-based geometric distance) and in NGC5584 (host of SNIa 2007af), near the median distance of the SH0ES HST SNIa host sample and with the best leverage among them to detect such a bias. JWST provides far superior source separation from line-of-sight companions than HST in the NIR to largely negate confusion or crowding noise at these wavelengths, where extinction is minimal. The result is a remarkable >2.5x reduction in the dispersion of the Cepheid P-L relations, from 0.45 to 0.17 mag, improving individual Cepheid precision from 20% to 7%. Two-epoch photometry confirmed identifications, tested JWST photometric stability, and constrained Cepheid phases. The P-L relation intercepts are in very good agreement, with differences (JWST-HST) of 0.00+/-0.03 and 0.02+/-0.03 mag for NGC4258 and NGC5584, respectively. The difference in the determination of H_0 between HST and JWST from these intercepts is 0.02+/-0.04 mag, insensitive to JWST zeropoints or count-rate non-linearity thanks to error cancellation between rungs. We explore a broad range of analysis variants (including passband combinations, phase corrections, measured detector offsets, and crowding levels) indicating robust baseline results. These observations provide the strongest evidence yet that systematic errors in HST Cepheid photometry do not play a significant role in the present Hubble Tension. Upcoming JWST observations of >12 SNIa hosts should further refine the local measurement of the Hubble constant.

研究动机与目标

• 检验混淆受限的HST测光是否在造父变星距离测量中引入系统性偏差，从而影响哈勃常数的测定。
• 评估观测到的哈勃张力是否源于HST数据中近红外波段的未解析恒星密集现象。
• 利用JWST卓越的角分辨率，以更高精度和更低离散度测量造父变星的周期与光度。
• 在相同星系中对比HST与JWST的造父变星测光，直接检验周光关系截距的一致性及H₀测定结果。
• 通过JWST数据验证SH0ES距离阶梯的稳健性，以约束密集噪声对造父变星测光的影响。

提出的方法

• 获取了NGC 4258和NGC 5584中超过320颗造父变星在三个滤镜、两个观测历元的高分辨率JWST NIRCam观测数据。
• 利用双历元观测确认源识别结果，评估测光稳定性，并约束造父变星的相位。
• 应用人工星测试量化背景涨落，并校正密集噪声，确保测光无偏。
• 采用一致的测光定标与背景校正方法，对比HST与JWST数据导出的造父变星周光关系。
• 评估多种分析变体，包括不同滤波组合、相位校正、探测器偏移及密集程度，以检验结果的稳健性。
• 使用相同的几何距离锚点（NGC 4258和NGC 5584）从HST与JWST数据中计算H₀，以隔离分辨率与密集效应带来的差异。

实验结果

研究问题

• RQ1 HST观测中未解析的恒星密集现象是否在造父变星测光中引入系统性偏差，从而影响哈勃常数的测定？
• RQ2 与HST相比，JWST卓越的角分辨率在多大程度上降低了造父变星周光关系的离散度？
• RQ3 从HST与JWST测光导出的周光关系截距在不确定度范围内是否一致？
• RQ4 从HST与JWST数据中导出的H₀差异是否超过预期的统计不确定性，表明存在系统性问题？
• RQ5 由于减少了混淆噪声，JWST是否显著提升了造父变星的测光精度？

主要发现

• JWST将造父变星周光关系的离散度从HST的0.45 mag降低至0.17 mag，改善幅度超过2.5倍。
• 由于源分离能力更强且密集噪声减少，单个造父变星的测光精度从HST的20%提升至JWST的7%。
• NGC 4258中JWST与HST的周光关系截距差异为0.00 ± 0.03 mag，NGC 5584中为0.02 ± 0.03 mag，表明两者高度一致。
• 从HST与JWST数据中导出的H₀差异为0.02 ± 0.04 km s⁻¹ Mpc⁻¹，与零一致，且对零点或非线性不确定性不敏感。
• 人工星测试证实背景校正无偏，且在正确加权后，包含所有造父变星（无论密集程度）可提升整体统计精度。
• 结果为迄今最强证据，表明HST造父变星测光中未解析恒星密集导致的系统误差，不会显著贡献于哈勃张力。