[论文解读] An updated measurement of the Hubble constant from near-infrared observations of Type Ia supernovae

L. Galbany, Thomas de Jaeger+12 more|arXiv (Cornell University)|Sep 6, 2022

Gamma-ray bursts and supernovae被引用 4

一句话总结

本文利用19个造距离的造父变星校准的Ia型超新星（SNe Ia）的近红外（NIR）测光数据以及57个处于哈勃流中的SNe Ia，通过高斯过程和样条插值法推导峰值星等，提出了一项新的哈勃常数（$H_0$）测量。结果为$H_0 = 72.3 \pm 1.4\,( ext{stat}) \pm 1.4\,( ext{syst})$ km s$^{-1}$ Mpc$^{-1}$，在$J$和$H$波段均达到2.8%的精度，与本地距离阶梯结果一致，但与普朗克CMB基估计值在2.3–2.4σ水平上不一致。

ABSTRACT

We present a measurement of the Hubble constant ($H_0$) using type Ia supernova (SNe Ia) in the near-infrared (NIR) from the recently updated sample of SNe Ia in nearby galaxies with distances measured via Cepheid period-luminosity relations by the SHOES project. We collect public near-infrared photometry of up to 19 calibrator SNe Ia and further 57 SNe Ia in the Hubble flow ($z>0.01$), and directly measure their peak magnitudes in the $J$ and $H$ band by Gaussian processes and spline interpolation. Calibrator peak magnitudes together with Cepheid-based distances are used to estimate the average absolute magnitude in each band, while Hubble-flow SNe are used to constrain the zero-point intercept of the magnitude-redshift relation. Our baseline result of $H_0$ is $72.3\pm1.4$ (stat) $\pm1.4$ (syst) km s$^{-1}$ Mpc$^{-1}$ in the $J$ band and $72.3\pm1.3$ (stat) $\pm1.4$ (syst) km s$^{-1}$ Mpc$^{-1}$ in the $H$ band, where the systematic uncertainties include the standard deviation of up to 21 variations of the analysis, the 0.7\% distance scale systematic from SHOES Cepheid anchors, a photometric zeropoint systematic, and a cosmic variance systematic. Our final measurement represents a measurement with a precision of 2.8\% in both bands. The variant with the largest change in $H_0$ is when limiting the sample to SNe from CSP and CfA programmes, noteworthy because these are the best calibrated, yielding $H_0\sim75$ km s$^{-1}$ Mpc$^{-1}$ in both bands. We demonstrate stretch and reddening corrections are still useful in the NIR to standardize SN Ia NIR peak magnitudes. Based on our results, in order to improve the precision of the $H_0$ measurement with SNe Ia in the NIR in the future, we would need to increase the number of calibrator SNe Ia, be able to extend the Hubble-Lemaître diagram to higher-z, and include standardization procedures to help reducing the NIR intrinsic scatter.

研究动机与目标

• 通过Ia型超新星（SNe Ia）的近红外（NIR）光曲线测量哈勃常数（$H_0$），以减少光学波段相比的系统不确定性。
• 检验近红外SNe Ia是否可作为宇宙距离测量的稳健且精确的替代方法。
• 评估光曲线标准化（拉伸与颜色修正）对减少近红外峰值星等内在弥散的影响。
• 评估未来近红外巡天在通过增加校准和哈勃流SNe Ia样本以提升$H_0$精度方面的潜力。

提出的方法

• 获取了19个造父变星校准的SNe Ia和57个哈勃流SNe Ia的公开近红外（J和H波段）测光数据。
• 使用高斯过程和样条插值法，从稀疏光曲线中准确推导出峰值星等。
• 利用SHOES项目提供的造父变星距离，校准每个波段的平均绝对星等。
• 通过哈勃流SNe Ia拟合星等-红移关系，以确定哈勃常数的零点。
• 量化了21种分析变体带来的系统不确定性，包括距离尺度、测光零点和宇宙方差。
• 利用SNooPy拟合光学+近红外数据，探索通过拉伸与颜色修正实现标准化，以减少内在弥散。

实验结果

研究问题

• RQ1 与光学波段相比，Ia型超新星的近红外观测能否提供更精确且一致的哈勃常数测量，并降低系统误差？
• RQ2 拉伸与颜色修正如何影响近红外峰值星等的标准化以及最终$H_0$的不确定性？
• RQ3 距离尺度、测光零点和宇宙方差等系统不确定性在近红外波段对最终$H_0$测定的影响程度如何？
• RQ4 使用近红外数据是否能缓解基于光学的距离阶梯测量中的偏差？
• RQ5 为实现使用近红外SNe Ia的$H_0$精度低于2%，还需在哪些方面进行改进？

主要发现

• 基准$H_0$测量值为$72.3 \pm 1.4\,( ext{stat}) \pm 1.4\,( ext{syst})$ km s$^{-1}$ Mpc$^{-1}$，在$J$和$H$波段均达到总精度2.8%。
• 该结果与R22本地距离阶梯测量在0.3σ水平内一致，证实光学系统误差不会对$H_0$测量造成偏差。
• 该测量与普朗克CMB基$H_0$值在2.3–2.4σ水平上不一致，进一步强化了哈勃张力。
• 将样本限制在CSP和CfA项目中校准良好的SNe后，得到$H_0 \sim 75$ km s$^{-1}$ Mpc$^{-1}$，表明与本地估计值的一致性有所提升。
• 拉伸与颜色修正减少了近红外绝对星等的内在弥散，但对$H_0$精度的影响较小且可测量。
• 未来改进需增加校准SNe Ia数量，将哈勃流样本扩展至$z \sim 0.7$，并进一步优化近红外光曲线的标准化。