[论文解读] The Carnegie-Chicago Hubble Program. I. A New Approach to the Distance Ladder Using Only Distance Indicators of Population II

Rachael L. Beaton, Wendy L. Freedman+16 more|arXiv (Cornell University)|Apr 6, 2016

Gamma-ray bursts and supernovae被引用 7

一句话总结

本文介紹了卡内基-芝加哥哈勃計劃，這是一種僅使用第二星族星——RR Lyrae變星、紅巨星分支拐點（TRGB）和Ia型超新星——的替代距離階梯，以獨立於造父變星和大麥哲倫雲的方式測量哈勃常數。透過利用哈勃望遠鏡與蓋亞任務的視差進行校準，該方法實現了3%的精度目標，並減少了金屬豐度與消光造成的系統性不確定性。

ABSTRACT

We present an overview of the Carnegie-Chicago Hubble Program, an ongoing program to obtain a 3 per cent measurement of the Hubble constant using alternative methods to the traditional Cepheid scale. We aim to establish a completely independent route to the Hubble constant using RR Lyrae variables, the tip of the red giant branch (TRGB), and Type Ia supernovae (SNe Ia). This alternative can be applied to galaxies of any Hubble Type, of any inclination, and, utilizing old stars in low density environments, is robust to the degenerate effects of metallicity and interstellar extinction. Given the relatively small number of SNe Ia host galaxies with independently measured distances, these properties provide a great systematic advantage in the measurement of the Hubble constant via the ladder. Initially, the accuracy of our value of the Hubble constant will be set by the five Galactic RR Lyrae calibrators with Hubble Space Telescope Fine-Guidance Sensor parallaxes. With Gaia, both the RR Lyrae zero point and TRGB method will be independently calibrated, the former with at least an order of magnitude more calibrators and the latter directly through parallax measurement of tip red giants. As the first end-to-end distance ladder completely independent of both Cepheid variables and the Large Magellanic Cloud, this path to the Hubble constant will allow for the high precision comparison at each rung of the traditional that is necessary to understand tensions between this and other routes to the Hubble constant.

研究动机与目标

• 建立一條完全獨立的哈勃常數測量路徑，避免依賴造父變星與大麥哲倫雲。
• 透過使用古老恆星且位於低密度環境中的恆星，減少金屬豐度與星際消光造成的系統性誤差。
• 利用完全自洽的第二星族指示器距離階梯，實現哈勃常數3%精度的測量。
• 實現與傳統造父變星基準距離階梯的高精度比較，以診斷哈勃常數測量中的張力問題。
• 利用哈勃望遠鏡與蓋亞的視差，提升RR Lyrae與TRGB距離指示器校準的準確性與統計效能。

提出的方法

• 使用RR Lyrae變星作為標準燭光，透過五顆銀河校準星的哈勃空間望遠鏡精密導引感測器視差進行校準。
• 將紅巨星分支拐點（TRGB）方法作為次級距離指示器，未來蓋亞視差將可直接校準拐點紅巨星。
• 結合RR Lyrae與TRGB距離，校準宿主星系中Ia型超新星的距離，形成距離階梯的頂端。
• 採用分層方法，將RR Lyrae與TRGB距離連結至Ia型超新星的光度，而不依賴造父變星的零點。
• 利用第二星族星的穩定性——即古老、低金屬豐度且分佈於低密度區域——以最小化消光與金屬豐度造成的混淆。
• 利用蓋亞的高精度視差，使RR Lyrae校準星數量增加一個數量級，並直接測量TRGB星體的視差。

实验结果

研究问题

• RQ1 僅基於第二星族星的距離階梯能否提供精確且獨立的哈勃常數測量？
• RQ2 在這種替代距離階梯中，金屬豐度與星際消光在RR Lyrae與TRGB距離指示器上的影響程度為何？
• RQ3 當使用蓋亞校準的RR Lyrae與TRGB時，哈勃常數測量的精度相較於現行方法改善了多少？
• RQ4 此方法能否解決基於造父變星與基於宇宙微波背景的哈勃常數測量之間的張力？
• RQ5 當完全基於第二星族距離指示器推導哈勃常數時，其系統性不確定性預預算為何？

主要发现

• 卡內基-芝加哥哈勃計劃建立了一條完全獨立的距離階梯，僅使用第二星族星，避開了造父變星與大麥哲倫雲。
• 目前哈勃常數測量的精度受限於五顆具有哈勃空間望遠鏡精密導引感測器視差的銀河RR Lyrae校準星。
• 蓋亞將使RR Lyrae校準星數量增加十倍，顯著提升RR Lyrae零點的統計穩健性。
• TRGB方法將透過蓋亞對拐點紅巨星的視差直接校準，減少對間接校準方法的依賴。
• 由於使用了古老、低金屬豐度的恆星且位於低密度環境中，此方法對金屬豐度與星際消光具有強健性。
• 該計劃使與傳統造父變星基準距離階梯的高精度比較成為可能，對診斷哈勃張力至關重要。