[论文解读] A Uniform Type Ia Supernova Distance Ladder with the Zwicky Transient Facility: Absolute Calibration Based on the Tip of the Red Giant Branch (TRGB) Method

Suhail Dhawan, A. Goobar+22 more|arXiv (Cornell University)|Mar 8, 2022

Gamma-ray bursts and supernovae被引用 1

一句话总结

本文提出了一种使用齐沃基瞬变源设施（Zwicky Transient Facility, ZTF）校准超新星亮度的统一Ia型超新星距离阶梯，采用红巨星分支拐点（Tip of the Red Giant Branch, TRGB）方法，以最小化宿主星系和测光校准偏差。利用ZTF中NGC7814星系内SN 2021rhu的TRGB距离以及一个体积受限的ZTF哈勃流样本，推导出H₀ = 76.94 ± 6.4 km s⁻¹ Mpc⁻¹，展示了实现1.8%精度测量以解决哈勃常数疑难的路径。

ABSTRACT

The current Cepheid-calibrated distance ladder measurement of $H_0$ is reported to be in tension with the values inferred from the cosmic microwave background (CMB), assuming standard cosmology. However, some tip of the red giant branch (TRGB) estimates report $H_0$ in better agreement with the CMB. Hence, it is critical to reduce systematic uncertainties in local measurements to understand the Hubble tension. In this paper, we propose a uniform distance ladder between the second and third rungs, combining SNe~Ia observed by the Zwicky Transient Facility (ZTF) with a TRGB calibration of their absolute luminosity. A large, volume-limited sample of both calibrator and Hubble flow SNe~Ia from the \emph{same} survey minimizes two of the largest sources of systematics: host-galaxy bias and non-uniform photometric calibration. We present results from a pilot study using existing TRGB distance to the host galaxy of ZTF SN~Ia SN 2021rhu (aka ZTF21abiuvdk) in NGC7814. Combining the ZTF calibrator with a volume-limited sample from the first data release of ZTF Hubble flow SNe~Ia, we infer $H_0 = 76.94 \pm 6.4\, { m km}\,{ m s^{-1}}\,{ m Mpc^{-1}}$, an $8.3 \%$ measurement. The error budget is dominated by the single object calibrating the SN~Ia luminosity in this pilot study. However, the ZTF sample includes already five other SNe~Ia within $\sim$ 20 Mpc for which TRGB distances can be obtained with HST. Finally, we present the prospects of building this distance ladder out to 80 Mpc with JWST observations of more than one hundred ZTF SNe~Ia.

研究动机与目标

• 通过使用单一巡天构建统一的距离阶梯，以减少本地H₀测量中的系统不确定性。
• 通过使用同一巡天获得的体积受限Ia型超新星光变样本，最小化宿主星系偏差和测光校准不一致性。
• 利用对宿主环境敏感性低于造父变星的TRGB方法校准Ia型超新星的绝对星等。
• 实现对H₀的精确、独立测量，以在标准宇宙学模型下检验哈勃常数疑难。
• 为将距离阶梯扩展至80 Mpc奠定基础，利用詹姆斯·韦布空间望远镜（JWST）对超过100颗ZTF Ia型超新星的TRGB观测。

提出的方法

• 利用齐沃基瞬变源设施（Zwicky Transient Facility, ZTF）获取同一测光系统下校准源和哈勃流Ia型超新星的体积受限样本。
• 采用红巨星分支拐点（Tip of the Red Giant Branch, TRGB）方法，利用TRGB已知的明亮度作为标准烛光，测定Ia型超新星宿主星系的绝对距离。
• 利用NGC7814星系中距离为20.5 Mpc的SN 2021rhu的TRGB距离，校准Ia型超新星的绝对星等。
• 将TRGB校准的Ia型超新星亮度与ZTF第一数据释放中133颗哈勃流Ia型超新星的体积受限样本相结合，推断H₀。
• 计划通过JWST获取超过100颗ZTF Ia型超新星在80 Mpc范围内的TRGB距离，将距离阶梯扩展至80 Mpc。
• 通过利用单一、非定向巡天同时获取校准源和哈勃流样本，显著降低交叉校准和环境偏差带来的系统误差。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否通过单一巡天的Ia型超新星构建统一的距离阶梯，以减少H₀测量中的系统不确定性？
• RQ2 与造父变星相比，使用TRGB方法在多大程度上减少了Ia型超新星亮度校准中的宿主环境偏差？
• RQ3 基于ZTF的TRGB校准距离阶梯，利用当前和未来数据可实现多高的H₀测量精度？
• RQ4 TRGB零点校准的改进以及额外的校准星系对最终H₀不确定性的改善程度如何？
• RQ5 该方法能否通过实现H₀的亚2%精度来解决哈勃常数疑难？

主要发现

• 试点研究利用NGC7814星系中SN 2021rhu的TRGB距离作为校准源，得出H₀ = 76.94 ± 6.4 km s⁻¹ Mpc⁻¹，对应8.3%的测量精度。
• 当前误差预算主要受单一校准Ia型超新星的不确定性主导，凸显了在ZTF样本中增加更多TRGB校准Ia型超新星的必要性。
• ZTF巡天目前已包含五颗位于约20 Mpc内的其他Ia型超新星，可利用哈勃空间望远镜（HST）获取TRGB距离，为未来校准改进提供可能。
• 该方法在当前TRGB零点不确定性下，可实现约1.8%的H₀精度，足以对哈勃常数疑难进行独立检验。
• 随着来自多个校准星系的未来TRGB校准和测光零点的改进，该方法有望实现约1.3%的H₀精度。
• 使用单一巡天同时获取校准源和哈勃流Ia型超新星，显著降低了交叉校准和宿主环境偏差，系统误差大幅减少。