[论文解读] The Tip of the Red Giant Branch Distances to Type Ia Supernova Host Galaxies. V. NGC 3021, NGC 3370, and NGC 1309 and the value of the Hubble Constant

In Sung Jang, Myung Gyoon Lee|arXiv (Cornell University)|Feb 3, 2017

Gamma-ray bursts and supernovae参考文献 2被引用 4

一句话总结

本研究利用哈勃空间望远镜的测光数据，测定三个Ia型超新星宿主星系——NGC 3021、NGC 3370和NGC 1309——的红巨星分支尖端（TRGB）距离，采用以NGC 4258和大麦哲伦云（LMC）为基准的修订TRGB校准方法，得出哈勃常数为 $ H_0 = 71.17 \pm 1.66_{\text{随机}} \pm 1.87_{\text{系统}} $ km s⁻¹ Mpc⁻¹，该值介于造父变星校准的SNe Ia与宇宙微波背景（CMB）基值之间，从而缓解了哈勃张力问题。

ABSTRACT

We present final results of a program for the determination of the Hubble constant based on the calibration of the Type Ia supernovae (SNe Ia) using the Tip of the Red Giant Branch (TRGB). We report TRGB distances to three SN Ia host galaxies, NGC 3021, NGC 3370, and NGC 1309. We obtain F555W and F814W photometry of resolved stars from the archival Hubble Space Telescope data. Luminosity functions of red giant stars in the outer regions of these galaxies show the TRGB to be at I ~ QT = 28.2 ~ 28.5 mag. From these TRGB magnitudes and the revised TRGB calibration based on two distance anchors (NGC 4258 and the LMC) in Jang&Lee 2017, we derive the distances: (m-M)0 = 32.178 +- 0.033 for NGC 3021, 32.253 +- 0.041 for NGC 3370, and 32.471 +- 0.040 for NGC 1309. We update our previous results on the TRGB distances to five SN Ia host galaxies using the revised TRGB calibration. By combining the TRGB distance estimates to SN Ia host galaxies in this study with the SN Ia calibration provided by Riess et al. 2011, we obtain a value of the Hubble constant: H0 = 71.66 +- 1.80 (random) +- 1.88 (systematic) km/s/Mpc (a 3.6% uncertainty including systematics) from all eight SNe, and H0 = 73.72 +- 2.03 +- 1.94 km/s/Mpc (a 3.8% uncertainty) from six low-reddened SNe. We present our best estimate, H0 = 71.17 +- 1.66 +- 1.87 km/s/Mpc (a 3.5% uncertainty) from six low-reddened SNe with the recent SN Ia calibration in Riess et al. 2016. This value is between those from the Cepheid calibrated SNe Ia and those from the Cosmic Microwave Background (CMB) analysis, lowering the Hubble tension.

研究动机与目标

• 通过将红巨星分支尖端（TRGB）作为距离指示器，改进Ia型超新星（SNe Ia）光度的校准。
• 通过提供一种独立于造父变星校准的距离阶梯方法，解决哈勃张力问题。
• 通过采用以NGC 4258和LMC为基准的修订TRGB校准方法，减少 $ H_0 $ 估计中的系统不确定性。
• 测试在活跃恒星形成星系中TRGB距离的稳健性，因为此类星系中造父变星距离可能受超长周期造父变星的影响而产生偏差。
• 提供一个精确且系统误差较低的哈勃常数估计值，其结果介于造父变星校准与CMB基值之间。

提出的方法

• 从哈勃空间望远镜/先进巡天相机（HST/ACS）的档案数据中获取NGC 3021、NGC 3370和NGC 1309外晕区域分辨恒星的深度F555W和F814W测光数据。
• 构建颜色-星等图（CMD），以识别红巨星分支（RGB）恒星，并使用星等函数法确定TRGB位置。
• 应用Jang & Lee（2017）提出的修订TRGB校准方法，以NGC 4258和LMC为基准，将观测到的TRGB星等转换为绝对距离。
• 将TRGB距离与Riess等人（2016）提供的SNe Ia峰值星等校准结果结合，推导出 $ H_0 $，同时使用全部SNe和低消光SNe子集以最小化尘埃消光偏差。
• 通过比较共同星系中TRGB与造父变星的距离，量化系统不确定性，特别评估NGC 4038/39中超长周期造父变星的影响。
• 采用TRGB距离的加权平均值，对八颗SNe Ia宿主星系进行处理，最终得出包含随机误差与系统误差的 $ H_0 $ 估计值。

实验结果

研究问题

• RQ1 利用哈勃空间望远镜档案数据，基于TRGB方法测定NGC 3021、NGC 3370和NGC 1309的SNe Ia宿主星系距离是多少？
• RQ2 与基于造父变星的校准相比，以NGC 4258和LMC为基准的修订TRGB校准方法如何影响所推导出的哈勃常数？
• RQ3 TRGB距离在多大程度上缓解了造父变星校准SNe Ia与CMB基值之间存在的哈勃张力？
• RQ4 在NGC 4038/39等星系中，TRGB距离与造父变星距离相比如何？这些星系中可能存在受超长周期造父变星影响的偏差。
• RQ5 TRGB方法能否为哈勃常数测定提供一种稳健且系统误差较低的替代造父变星距离阶梯的方法？

主要发现

• NGC 3021的TRGB距离模数为 $ (m-M)_0 = 32.178 \pm 0.033 $ mag，NGC 3370为 $ 32.253 \pm 0.041 $ mag，NGC 1309为 $ 32.471 \pm 0.040 $ mag。
• NGC 4038/39中TRGB星等为 $ 28.398 \pm 0.040 $，对应距离模数 $ (m-M)_0 = 32.471 \pm 0.040 $，显著大于Riess等人（2016）报告的造父变星距离 $ \Delta(m-M)_0 = 0.387 \pm 0.118 $ mag。
• NGC 4038/39的TRGB距离与Riess等人（2011）早期的造父变星距离一致，表明Riess等人（2016）结果中的差异可能源于超长周期造父变星的影响。
• 基于六颗低消光SNe Ia并采用TRGB校准的最终哈勃常数估计值为 $ H_0 = 71.17 \pm 1.66_{\text{随机}} \pm 1.87_{\text{系统}} $ km s⁻¹ Mpc⁻¹，总不确定性为3.5%。
• 该值介于造父变星校准SNe Ia结果（$ H_0 \approx 73.7 $ km s⁻¹ Mpc⁻¹）与CMB基值结果（$ H_0 \approx 67.8 $ km s⁻¹ Mpc⁻¹）之间，缓解了哈勃张力。
• 在考虑系统效应后，TRGB方法得到的 $ H_0 $ 与Freedman等人（2012）的造父变星结果相差 $ 1.08\sigma $，与Riess等人（2016）结果相差 $ 0.88\sigma $，与Riess等人（2011）结果相差 $ 0.56\sigma $，表明与近期造父变星校准结果具有良好的一致性。