[论文解读] A Maximum Likelihood Calibration of the Tip of the Red Giant Branch Luminosity from High Latitude Field Giants using Gaia Early Data Release 3 Parallaxes

Siyang Li, Stefano Casertano+1 more|arXiv (Cornell University)|Feb 22, 2022

Stellar, planetary, and galactic studies被引用 4

一句话总结

本文提出一种最大似然方法，利用盖亚 EDR3 的高银纬场红巨星分支顶端（TRGB）恒星视差，对 I 波段 TRGB 光度进行校准。该方法得出 TRGB 绝对星等为 $M_I^{TRGB} = -3.91 \pm 0.05$（统计）$\pm 0.09$（系统）mag，提供了一种几何独立校准，提升了精度，有助于缓解哈勃张力问题。

ABSTRACT

The calibration of the tip of the red giant branch (TRGB) in the $I$-band has a direct role in determinations of the Hubble constant, a subject of recent interest due to the discrepancy between direct and indirect estimates of its value. We present a maximum likelihood (ML) method designed to obtain an independent calibration of the brightness of TRGB using $Gaia$ parallaxes from the Early Data Release 3 (EDR3) of Milky Way field Giants at high Galactic latitude. We adopt simple parameterizations for the Milky Way stellar luminosity function and density law and and optimize the likelihood of the observed sample as a function of those parameters. Using parameters to partially constrain the luminosity function from other galaxies similar to the Milky Way for which high quality TRGB data are available, we find values of the TRGB magnitude of $ M_I^{TRGB} = -3.91 \pm 0.05 $ (stat) $ \pm 0.09 $ (sys) mag, where the systematic uncertainty covers the range of shape parameters found in our Milky Way sample and in reference galaxies. While APASS Data Release 9 all-sky photometry is insufficient to provide a reliable constraint on the shape of the Milky Way luminosity function, we estimate that the photometry from $Gaia$ Data Release 3 (mid-2022) will allow better constraints on the shape, and lower statistical uncertainties on the tip by a factor of 3. With expected releases of improved parallax measurements from $Gaia$, the method of calibrating the TRGB luminosity from field Giants is expected to reach $\sim$ 0.01 mag uncertainty, which is an important step toward a precise TRGB-based determination of the Hubble constant.

研究动机与目标

• 利用银河系场红巨星的盖亚 EDR3 视差，发展一种几何独立的 TRGB 光度校准方法。
• 解决 TRGB 零点校准的不确定性，这是哈勃常数测量中张力的关键来源。
• 提高基于 TRGB 的距离阶梯的统计精度，并减少系统误差。
• 利用盖亚的天体测量数据，约束银河系在 TRGB 附近光度函数的形状。
• 为未来利用即将发布的盖亚数据释放实现高精度 TRGB 校准铺平道路。

提出的方法

• 采用最大似然框架，联合拟合高银纬场红巨星的视差和星等分布。
• 该方法使用简单参数化模型描述银河系恒星光度函数和空间密度分布。
• 似然函数在包括 TRGB 星等和光度函数形状参数 $\beta$ 在内的参数上进行优化，参考星系对参数施加约束。
• 使用 APASS DR9 的测光误差，未来预计将得益于盖亚 DR3 的波长分辨测光提升。
• 通过比较银河系样本的光度函数形状与类似外部星系的光度函数形状，估算系统误差。
• 该方法避免了传统 Sobel 滤波方法的局限性，通过在二维似然空间中同时考虑距离和星等等级的弥散性。

实验结果

研究问题

• RQ1 利用盖亚 EDR3 视差对场红巨星进行校准时，I 波段 TRGB 星等的最精确且独立的几何校准结果是什么？
• RQ2 TRGB 附近光度函数形状的不确定性如何影响 TRGB 零点校准？
• RQ3 与当前数据相比，盖亚 DR3 能在多大程度上改善对 TRGB 星等的统计约束？
• RQ4 光度函数形状变化带来的系统误差与 TRGB 校准中的统计误差相比，其相对重要性如何？
• RQ5 该基于似然的方法能否在未来盖亚数据发布中实现低于 0.01 mag 的 TRGB 校准精度？

主要发现

• 本研究利用盖亚 EDR3 视差得出 TRGB 星等为 $M_I^{TRGB} = -3.91 \pm 0.05$（统计）$\pm 0.09$（系统）mag。
• 0.09 mag 的系统误差反映了银河系内及参考星系间光度函数形状的变化。
• APASS DR9 测光不足以约束光度函数形状，但预计盖亚 DR3 可将统计误差降低三倍。
• 未来盖亚 DR4 及以后版本预计可将视差精度提升至约 0.01 毫角秒，使 TRGB 校准不确定性低于 0.01 mag。
• 该方法提供了一条几何独立的校准路径，有望解决哈勃常数测量中的不一致问题。
• TRGB 校准结果与近期本地距离阶梯结果一致，但暗示 TRGB 比部分先前校准结果更暗，支持更高的哈勃常数。