[论文解读] Two c's in a pod: Cosmology independent measurement of the Type Ia supernova colour-luminosity relation with a sibling pair

Rahul Biswas, A. Goobar+20 more|arXiv (Cornell University)|Mar 31, 2021

Gamma-ray bursts and supernovae参考文献 98被引用 15

一句话总结

本文利用同一星系中相隔200天、相距0.6 kpc的两颗伴生Ia型超新星（z = 0.0541），实现了对Ia型超新星光度-颜色关系的宇宙学无关测量。通过将SALT2光曲线拟合至ZTF测光数据，得出𝛽 = 3.5 ± 0.3，该结果与近期全局Ia型超新星哈勃图拟合结果一致，且不依赖于宇宙学模型假设、选择偏差或基于模拟的修正。

ABSTRACT

Using Zwicky Transient Facility (ZTF) observations, we identify a pair of "sibling" Type Ia supernovae (SNe Ia), i.e., hosted by the same galaxy at z = 0.0541. They exploded within 200 days from each other at a separation of $0.6^{"} $ corresponding to a projected distance of only 0.6 kpc. Performing SALT2 light curve fits to the gri ZTF photometry, we show that for these equally distant "standardizable candles", there is a difference of 2 magnitudes in their rest frame B-band peaks, and the fainter SN has a significantly red SALT2 colour $c = 0.57 \pm$ 0.04, while the stretch values $x_1$ of the two SNe are similar, suggesting that the fainter SN is attenuated by dust in the interstellar medium of the host galaxy. We use these measurements to infer the SALT2 colour standardization parameter, $\beta$ = 3.5 $\pm$ 0.3, independent of the underlying cosmology and Malmquist bias. Assuming the colour excess is entirely due to dust, the result differs by $2\sigma$ from the average Milky-Way total-to-selective extinction ratio, but is in good agreement with the colour-brightness corrections empirically derived from the most recent SN Ia Hubble-Lemaitre diagram fits. Thus we suggest that SN "siblings", which will increasingly be discovered in the coming years, can be used to probe the validity of the colour and lightcurve shape corrections using in SN Ia cosmology while avoiding important systematic effects in their inference from global multi-parameter fits to inhomogeneous data-sets, and also help constrain the role of interstellar dust in SN Ia cosmology.

研究动机与目标

• 提供SALT2颜色标准化参数𝛽的宇宙学无关测量，以减少Ia型超新星宇宙学中的系统不确定性。
• 检验观测到的光度-颜色关系是否主要由宿主星系尘埃消光引起，还是源于Ia型超新星本身的内在颜色变化。
• 减轻传统全局拟合中常见的马尔莫奎斯特偏差、选择效应及宿主星系环境依赖性等系统效应。
• 展示伴生Ia型超新星对（在大视场巡天中日益可检测）在实现Ia型超新星标准化时的潜力，且假设条件最少。
• 在不依赖模拟星族模型或复杂巡天修正的前提下，约束星际尘埃在Ia型超新星亮度修正中的作用。

提出的方法

• 识别出位于红移z = 0.0541的同一宿主星系中的两颗Ia型超新星（SN 2019mjt 和 SN 2019mjo），时间间隔200天，空间距离0.6 kpc。
• 对ZTF的griz测光数据进行SALT2光曲线拟合，以推导出其本征系B波段峰值星等、颜色（𝑐）和拉伸参数（𝑥1）。
• 利用两颗超新星位于同一距离（同一宿主星系）的事实，将颜色和光曲线形状对亮度的影响独立分离，从而消除宇宙学距离依赖性。
• 采用基于似然的推断方法，从两颗伴生超新星的星等差与颜色差中推导出颜色标准化参数𝛽。
• 假设观测到的星等差仅由尘埃消光引起，并将推断出的𝛽与银河系总消光与选择性消光之比𝑅𝑉 ≈ 3.1进行比较。
• 通过与近期哈勃图拟合中经验得出的𝛽值进行对比，验证结果与当前Ia型超新星文献的一致性。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否利用伴生Ia型超新星对，独立于宇宙学模型和选择偏差，测量SALT2颜色标准化参数𝛽？
• RQ2 观测到的Ia型超新星光度-颜色关系是否主要由宿主星系中的尘埃消光引起，还是源于Ia型超新星本身的内在颜色变化？
• RQ3 从伴生超新星对中推断出的𝛽与银河系消光比𝑅𝑉 ≈ 3.1相比如何？这对Ia型超新星宿主星系中尘埃的性质有何启示？
• RQ4 与全局多参数拟合相比，伴生Ia型超新星对在多大程度上能减少Ia型超新星标准化中的系统不确定性？
• RQ5 该方法是否可推广至未来具有不同光曲线形状的伴生Ia型超新星样本，以同时约束𝛼和𝛽？

主要发现

• 两颗伴生Ia型超新星SN 2019mjt与SN 2019mjo位于相同红移（z = 0.0541），相距仅0.6 kpc，确认其来自同一宿主星系。
• SALT2光曲线拟合显示，其本征系B波段峰值亮度存在2等星等的差异，较暗的超新星具有显著更红的颜色（𝑐 = 0.57 ± 0.04）和相近的拉伸参数（𝑥1）值。
• 推断出的颜色标准化参数为𝛽 = 3.5 ± 0.3，该结果不依赖宇宙学模型，也无需马尔莫奎斯特偏差修正。
• 该值比银河系平均总消光与选择性消光比（𝑅𝑉 ≈ 4.1）低2𝜎，暗示宿主星系尘埃的性质可能与银河系不同。
• 该结果与近期从全局哈勃图拟合中经验得出的𝛽 ≈ 3.0–3.1值高度一致，验证了该方法与当前文献的一致性。
• 本研究证明，伴生Ia型超新星对为Ia型超新星标准化提供了一种强大且独立的探针，显著减少了对模拟和复杂巡天修正的依赖。