[论文解读] A Lockdown Perspective on the Hubble Tension (with comments from the SH0ES team)

G. Efstathiou|arXiv (Cornell University)|Jul 21, 2020

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena参考文献 11被引用 84

一句话总结

本文通过重新检视 SH0ES Cepheid 标定与距离锚点来分析 Hubble 张力，揭示 Cepheid PL 截距中潜在的系统偏差，并讨论需要独立的距离锚点（特别是 NGC 4258）以解决张力。

ABSTRACT

This is a transcript of a talk that I gave in Cambridge on 17th July 2020 on the `Hubble tension'. I review the SH0ES analyses by Riess and collaborators and point out some internal inconsistencies, including a discrepancy between the relative distances inferred from Cepheids of two of the primary geometric distance anchors, the Large Magellanic Cloud (LMC) and NGC 4258. I then ask `what would it take to make SH0ES compatible with early time measurements?'. The answer is a systematic bias of 0.1 - 0.15 mag in the intercept of the Cepheid period-luminosity relations of SH0ES galaxies. Such a bias resolves the Hubble tension, the tension between the distance anchors, and the difference between SH0ES and the tip of the red giant branch (TRGB) distance ladder, as measured and calibrated by Freedman and collaborators. I show that the difference between the TRGB and SH0ES values of H0 is caused mainly by a systematic calibration offset. In the short term, observational efforts should be focussed on improving the calibrations of the distance anchors and nearby galaxies, rather than trying to measure distance moduli to more supernovae host galaxies. I argue that an independent distance estimate to NGC 4258 is particularly critical. With such observations, it should be possible, on a relatively short timescale, to establish definitively whether the Hubble tension really exists.

研究动机与目标

• 评估系统偏差是否会对 SH0ES 的 H0 测量造成偏差以及偏差的方向与程度
• 评估 SH0ES Cepheid 数据在修订版本（R11 vs R16）与距离锚点之间的一致性
• 调查距离锚点（LMC、NGC 4258、MW）之间的张力及其对 H0 的影响
• 检验 SH0ES 结果与 TRGB 测量和早期宇宙推断的一致性
• 提出在最近期内解决 Hubble 张力的观测优先级

提出的方法

• 使用 SH0ES Cepheid 框架将等效亮度偏移转换为 H0 的变化，δH0/H0 = 0.2 ln 10 δm (Eq. 2.1)
• 比较不同星系的 PL 关系斜率；识别短周期的不完整性偏差（Eq. 2.3, 2.4）
• 对 R11 vs R16 Cepheids 与 photometry 进行逐对象比较（Appendix A, Table 1）
• 联合拟合 LMC 与 NGC 4258 的 Cepheids，以约束截距与斜率（Eq. 3.3–3.4）
• 在 PL 关系中加入金属丰度项（Eq. 4.1）并考察对 H0 的影响
• 通过模拟 Cepheid 截距偏移来探索 SH0ES 的简并性（Fig. 4.2）

实验结果

研究问题

• RQ1 系统偏差是否足以偏移 SH0ES Cepheid 标定，从而使 SH0ES 的 H0 与早期时刻测量相一致？
• RQ2 在 SH0ES 框架下，LMC、NGC 4258 和 MW 这三个距离锚点之间是否存在张力？
• RQ3 PL 斜率的不完全性以及颜色/ photometry 系统性如何影响推导的 H0？
• RQ4 在最近期内解决 Hubble 张力最关键的观测是什么？

主要发现

• 在将 SH0ES 锚点 LMC 与 NGC 4258 与 SH0ES Cepheids 一起标定时存在张力（Δμ_N4258 ≈ 0.177 mag，若忽略金属丰度则约为 3.5σ）
• R16 的 photometry 显示的 PL slope 比预期更浅，暗示短周期的不完整性可能带来偏差；强制固定斜率 b = -3.30 可以将 H0 提移约 1.7 km/s/Mpc
• R11 与 R16 之间的截距偏移（a_-3.3）表明 H0 的系统偏移约为 2 km/s/Mpc，且大于 SH0ES 报告的误差
• 将金属丰度校正纳入后，LMC–NGC 4258 的张力降至略高于 2σ，表明在联合拟合中金属丰度项很重要
• 将 NGC 4258 与 LMC 锚点联合拟合倾向于支持更高的 H0，并且与几何锚点模量存在统计不一致，凸显了“SH0ES 简并性”，即小的 photometric 偏移也能显著影响结果
• 更广泛的 SH0ES 简并性警示在锚点之间存在系统差异时，不能简单地对距离锚点取平均。