[论文解读] Pulsating stars and eclipsing binaries as distances indicators in the universe

N. Nardetto|arXiv (Cornell University)|Jan 12, 2018

Stellar, planetary, and galactic studies被引用 4

一句话总结

本 habilitation 论文研究了脉动变星（造父变星）和食双星作为精确的距离指示器，以解决哈勃常数张力问题，重点是利用食双星和巴德-韦塞林法校准造父变星的周期-光度关系。研究证明，食双星可实现对大麦哲伦云 2.2% 的距离测量，这对于约束周期-光度关系的零点并减少哈勃常数测定中的系统误差至关重要。

ABSTRACT

Determining the expansion of the universe, i.e. the Hubble constant (H0) to better than 2% is required in order to understand the nature of dark energy. However, the two most accurate methods to do it, the cosmic microwave background and the distance scale ladder are inconsistent today, which is refereed as the "tension". One of the key to resolve this tension is related to the calibration of the period-luminosity (PL) of Cepheids : what is its zero-point ? Is it metallicity dependent ? Can we reduce the dispersion of the PL relation ? The eclipsing binaries method was recently used to determine the distance to LMC with a 2.2% accuracy, which is crucial to constrain the zero-point of the PL relation and to study the impact of metallicity. However, this method is based on the hypothesis that stars are perfect blackbody, which is not always the case as shown by inconsistencies in the surface brightness - color relations of early type stars for instance, that are actually useful for the distance determination of eclipsing binaries in distant galaxies (i.e. M31, M33). On the other hand, it is now possible to apply the Baade-Wesselink method to Cepheids in the Magellanic Clouds, however the value of the projection factor and its dependence with the period of Cepheids remains a key issue. Understanding the dynamical structure of the atmosphere of Cepheids (p-factor, k-factor) and their environment cannot be circumvented in order to determine the distance in the universe. This is even more true that the environment of Cepheids could increase the dispersion of the PL relation. The next generation of interferometers (MATISSE, SPICA), the Gaia parallaxes, in the context of JWST, PLATO, and ELT will help to resolve these fundamental issues.

研究动机与目标

• 通过改进造父变星周期-光度（PL）关系的校准，解决哈勃张力问题，这是宇宙距离阶梯中的关键步骤。
• 通过优化 PL 关系的零点和金属丰度依赖性，减少哈勃常数（H₀）测量中的系统不确定性。
• 评估恒星大气动力学（p因子、k因子）和造父变星环境对 PL 关系弥散的影响。
• 利用食双星和干涉测量技术，实现对大麦哲伦云亚 2% 的距离精度。
• 改进早型星的表面亮度-颜色关系，以增强对 M31 和 M33 等星系的距离测量精度。

提出的方法

• 应用食双星法，利用光变曲线和径向速度曲线，高精度测定大麦哲伦云（LMC）的距离。
• 利用 VEGA/CHARA 仪器的光学干涉测量技术，测量造父变星和食双星的角直径，从而实现直接的距离测定。
• 利用食双星校准表面亮度-颜色关系，实现角直径预测精度优于 1%。
• 通过结合径向速度曲线和光变曲线，应用巴德-韦塞林法于大麦哲伦云中的造父变星，校正 p 因子和 k 因子的影响。
• 分析高分辨率光谱（如 HARPS-N）以研究径向速度轮廓，并推导造父变星的投影因子（p 因子）。
• 建模脉动恒星的动力学结构，包括质心速度和大气响应，以优化 p 因子并减少距离测量的离散性。

实验结果

研究问题

• RQ1 造父变星周期-光度关系的零点是多少？其受金属丰度的影响如何？
• RQ2 巴德-韦塞林法中的 p 因子和 k 因子在多大程度上引入了造父变星距离测量的系统误差？
• RQ3 造父变星的恒星环境在多大程度上影响了周期-光度关系的弥散？
• RQ4 食双星能否提供对大麦哲伦云 2% 精度的距离测量？其对哈勃常数校准有何改善作用？
• RQ5 基于食双星获得的表面亮度-颜色关系在多大程度上提升了对 M31 和 M33 等外部星系的距离测量精度？

主要发现

• 食双星法实现了对大麦哲伦云 2.2% 的距离测量，为校准造父变星周期-光度关系提供了关键锚点。
• 基于食双星校准的表面亮度-颜色关系，可实现优于 1% 精度的角直径预测。
• 巴德-韦塞林法中的 p 因子仍是主要不确定性来源，其周期依赖性仍在深入研究中。
• 恒星大气动力学（包括 p 因子和 k 因子）显著影响造父变星的距离估计，必须被精确建模。
• 造父变星的环境可能对周期-光度关系的观测弥散有贡献，提示需要引入环境修正项。
• 下一代仪器如 Gaia、JWST、ELT 和 MATISSE 将对解决距离阶梯和哈勃张力中的剩余不确定性至关重要。