[论文解读] The Local Value of H$_0$

Adam G. Riess, Louise Breuval|arXiv (Cornell University)|Aug 21, 2023

Gamma-ray bursts and supernovae被引用 4

一句话总结

本文利用詹姆斯·韦伯太空望远镜（JWST）对高精度哈勃常数（H₀）测量结果进行验证，以检验本地距离阶梯的可靠性，确认其与哈勃空间望远镜（HST）结果的一致性。研究结果表明，HST造父变星测光中的系统误差无法解释哈勃张力，从而进一步支持了新物理超越ΛCDM模型的可能性。

ABSTRACT

We review the local determination of the Hubble constant, H$_0$, focusing on recent measurements of a distance ladder constructed from geometry, Cepheid variables and Type Ia supernovae (SNe Ia). We explain in some detail the components of the ladder: (1) geometry from Milky Way parallaxes, masers in NGC 4258 and detached eclipsing binaries in the Large Magellanic Cloud; (2) measurements of Cepheids with the Hubble Space Telescope (HST) in these anchors and in the hosts of 42 SNe Ia; and (3) SNe Ia in the Hubble flow. Great attention to negating systematic uncertainties through the use of differential measurements is reviewed. A wide array of tests are discussed. The measurements provide a strong indication of a discrepancy between the local measure of H$_0$ and its value predicted by $Λ$CDM theory, calibrated by the cosmic microwave background ($Planck$), a decade-long challenge known as the `Hubble Tension'. We present new measurements with the James Webb Space Telescope of $>$320 Cepheids on both rungs of the distance ladder, in a SN Ia host and the geometric calibrator NGC 4258, showing reduced noise and good agreement with the same as measured with HST. This provides strong evidence that systematic errors in HST Cepheid photometry do not play a significant role in the present Hubble Tension. Future measurements are expected to refine the local determination of the Hubble constant.

研究动机与目标

• 利用JWST数据验证本地哈勃常数（H₀）的测量结果，以检验基于HST的造父变星测光中是否存在系统误差。
• 评估HST造父变星距离测量中残余系统误差是否可能解释哈勃张力。
• 通过利用JWST在密集场中卓越的近红外成像能力，提升本地距离阶梯的测量精度。
• 在几何校准星系和超新星Ia宿主星系两根阶梯上，对HST与JWST的造父变星测光结果进行直接、差异化的对比。
• 通过证明HST与JWST测量结果的一致性，独立于零点不确定度，增强对本地H₀值的信心。

提出的方法

• 利用JWST对几何校准星系NGC 4258和超新星Ia宿主星系（NGC 5584）中的超过320颗造父变星进行观测，与HST的目标完全匹配。
• 采用差异测光技术对比HST与JWST的造父变星星等，最大限度减少零点和定标误差。
• 使用韦森海特周期-星等关系（W^{H}_{V,I}）推导距离模数，使用F150W（JWST）和F160W（HST）滤光片实现直接对比。
• 通过多历元观测提高相位测定精度，将随机相位误差降低，使星等离散度从约0.43 mag降至约0.17 mag。
• 使用相同造父变星样本直接对比两根阶梯的距离模数，实现对测光一致性的系统误差不敏感检验。
• 计算HST与JWST对NGC 5584与NGC 4258之间距离模数差值，精度达到0.04 mag。

实验结果

研究问题

• RQ1 HST造父变星测光中的系统误差是否导致了观测到的哈勃张力？
• RQ2 JWST对造父变星的测量结果与HST的一致性是否足以排除HST系统误差作为哈勃张力的成因？
• RQ3 与HST相比，JWST的近红外成像是否能有效降低造父变星测光中的噪声与拥挤效应，特别是在密集星场中？
• RQ4 使用JWST测量时，两根阶梯间距离模数的差异测量精度如何？
• RQ5 HST与JWST在几何校准星系和超新星Ia宿主星系两根阶梯上的造父变星测光结果的一致性，是否支持本地H₀值的稳健性？

主要发现

• JWST对造父变星的测光结果与HST测量高度一致，HST与JWST结果间距离模数差值仅为0.04 mag。
• 通过多历元相位校正，造父变星星等测量的离散度从约0.43 mag显著降低至约0.17 mag，统计精度大幅提升。
• HST与JWST在几何校准星系（NGC 4258）和超新星Ia宿主星系（NGC 5584）中造父变星测量结果的一致性，为排除HST测光系统误差提供了强有力证据。
• 利用JWST数据对两根阶梯距离模数的直接对比，证实HST造父变星测光中的系统误差无法解释哈勃张力。
• JWST测试的精度（0.04 mag）远低于0.18 mag的哈勃张力值，使其对检测残余系统误差具有极高的灵敏度。
• 研究结果支持本地H₀测量的稳健性，并进一步强化了哈勃张力作为新物理超越ΛCDM模型的潜在指示信号的重要性。