[论文解读] A Redetermination of the Hubble Constant with the Hubble Space Telescope from a Differential Distance Ladder

Adam G. Riess, Macri, Lucas+9 more|May 5, 2009

Cosmology and Gravitation Theories被引用 34

一句话总结

本文利用哈勃空间望远镜对六颗Ia型超新星宿主星系中的造父变星以及脉泽距离星系NGC 4258的观测，采用统一的近红外测光技术构建差分距离 ladder，以减少系统误差，实现了对哈勃常数的高精度测量。结果为 $ H_0 = 74.2 \pm 3.6 $ km s⁻¹ Mpc⁻¹，不确定度达4.8%，并独立于高红移数据，将暗能量状态方程的约束提升至 $ w = -1.12 \pm 0.12 $。

ABSTRACT

We report observations of 240 Cepheid variables obtained with the Near Infrared Camera (NICMOS) through the F160W filter on the Hubble Space Telescope (HST). The Cepheids are distributed across six recent hosts of Type Ia supernovae (SNe Ia) and the "maser galaxy" NGC 4258, allowing us to directly calibrate the peak luminosities of the SNe Ia from the precise, geometric distance measurements provided by the masers. New features of our measurement include the use of the same instrument for all Cepheid measurements across the distance ladder and homogeneity of the Cepheid periods and metallicities thus necessitating only a differential measurement of Cepheid fluxes and reducing the largest systematic uncertainties in the determination of the fiducial SN Ia luminosity. The NICMOS measurements reduce differential extinction in the host galaxies by a factor of 5 over past optical data. Combined with an expanded of 240 SNe Ia at z<0.1 which define their magnitude-redshift relation, we find H_0=74.2 +/-3.6, a 4.8% uncertainty including both statistical and systematic errors. We show that the factor of 2.2 improvement in the precision of H_0 is a significant aid to the determination of the equation-of-state of dark energy, w = P/(rho c^2). Combined with the WMAP 5-year measurement of Omega_M h^2, we find w= -1.12 +/- 0.12 independent of high-redshift SNe Ia or baryon acoustic oscillations (BAO). This result is also consistent with analyses based on the combination of high-z SNe Ia and BAO. The constraints on w(z) now with high-z SNe Ia and BAO are consistent with a cosmological constant and improved by a factor of 3 from the refinement in H_0 alone. We show future improvements in H_0 are likely and will further contribute to multi-technique studies of dark energy.

研究动机与目标

• 通过使用统一仪器和观测条件的差分距离 ladder，减少哈勃常数测量中的系统不确定度。
• 通过在所有造父变星观测中一致使用哈勃空间望远镜的NICMOS仪器，最小化校准误差，提高 $ H_0 $ 的精度。
• 利用独立的银河系造父变星视差测量，检验基于脉泽的NGC 4258几何距离作为距离 ladder 主要锚点的稳健性。
• 结合改进后的 $ H_0 $ 与威尔金森微波各向异性探针（WMAP）第五年数据，增强对暗能量状态方程 $ w $ 的约束。
• 证明即使其他探针受系统误差限制，对 $ H_0 $ 实现1%的测量精度，也可显著提升多技术暗能量研究。

提出的方法

• 利用哈勃空间望远镜的近红外相机与多目标光谱仪（NICMOS），通过 $ F160W $ 滤镜对六颗Ia型超新星宿主星系和NGC 4258中的240颗造父变星进行观测，以确保测光一致性。
• 将从环核脉泽得出的NGC 4258几何距离作为主要锚点，直接校准Ia型超新星的峰值光度。
• 应用差分测光法比较不同宿主星系中造父变星的星等，通过使用相同仪器和滤镜，最大限度减少消光和零点校准带来的系统误差。
• 通过近红外观测，使差分消光效应相比光学数据降低约5倍，因为近红外波段对尘埃消光不敏感。
• 将基于造父变星的距离与240个近距离Ia型超新星（$ z < 0.1 $）的大样本结合，构建星等-红移关系，并通过线性拟合的截距推导 $ H_0 $。
• 利用哈勃精细导星传感器对10颗银河系造父变星的独立视差测量，验证脉泽距离锚点的一致性与稳健性。

实验结果

研究问题

• RQ1 使用单一仪器的统一近红外测光技术构建差分距离 ladder，能否有效减少哈勃常数测量中的系统不确定度？
• RQ2 与以往基于光学的方法相比，使用NGC 4258的几何脉泽距离作为主要锚点，能否显著提升 $ H_0 $ 的测量精度？
• RQ3 在不依赖高红移数据的前提下，改进后的 $ H_0 $ 测量在多大程度上增强了对暗能量状态方程 $ w $ 的约束？
• RQ4 通过近红外观测降低差分消光效应，对整个距离 ladder 的总不确定度有何影响？
• RQ5 若未来能实现 $ H_0 $ 的1%精度测量，是否足以补偿其他暗能量探针（如重子声学振荡或高红移超新星）中的系统误差？

主要发现

• 哈勃常数测量结果为 $ H_0 = 74.2 \pm 3.6 $ km s⁻¹ Mpc⁻¹，总不确定度为4.8%，包含统计误差与系统误差。
• 在所有造父变星观测中统一使用同一台仪器（NICMOS）和滤镜（$ F160W $），显著降低了系统不确定度，支持差分测量并最小化零点误差。
• 近红外测光使差分消光效应相比光学数据降低约5倍，显著提升了距离测量的精度。
• 通过与银河系造父变星的独立视差测量一致，验证了NGC 4258的脉泽距离作为锚点的稳健性。
• 将改进后的 $ H_0 $ 与WMAP第五年数据结合，得到 $ w = -1.12 \pm 0.12 $，该结果独立于高红移Ia型超新星或重子声学振荡，且与宇宙学常数一致。
• 改进后的 $ H_0 $ 精度使对 $ w(z) $ 的约束能力提升约3倍，表明未来实现约1%精度的 $ H_0 $ 测量，将显著助力多探针暗能量研究。