[论文解读] Calibrating the Absolute Magnitude of Type Ia Supernovae in Nearby Galaxies using [OII] and Implications for $H_{0}$

M. E. Dixon, J. R. Mould+70 more|arXiv (Cornell University)|Aug 2, 2024

Gamma-ray bursts and supernovae被引用 1

一句话总结

本研究使用邻近宿主星系中[OII] λ3727,29发射线等效宽度作为特定恒星形成率的代理，校准了Ia型超新星的绝对星等。通过将此校正应用于20个具有WiFeS光谱的校准星系中的Ia型超新星，作者得出H₀ = 73.04–73.51 km s⁻¹ Mpc⁻¹，总不确定度约为1.31 km s⁻¹ Mpc⁻¹，但发现宿主星系属性——包括[OII]等效宽度——并不能显著缓解与CMB结果之间的5σ哈勃张力。

ABSTRACT

The present state of cosmology is facing a crisis where there is a fundamental disagreement in measurements of the Hubble constant ($H_{0}$), with significant tension between the early and late universe methods. Type Ia supernovae (SNe Ia) are important to measuring $H_{0}$ through the astronomical distance ladder. However, there remains potential to better standardise SN Ia light curves by using known dependencies on host galaxy properties after the standard light curve width and colour corrections have been applied to the peak SN Ia luminosities. To explore this, we use the 5-year photometrically identified SNe Ia sample obtained by the Dark Energy Survey, along with host galaxy spectra obtained by the Australian Dark Energy Survey. Using host galaxy spectroscopy, we find a significant trend with the equivalent width (EW) of the [OII] $\lambda\lambda$ 3727, 29 doublet, a proxy for specific star formation rate, and Hubble residuals. We find that the correlation with [OII] EW is a powerful alternative to the commonly used mass step after initial light curve corrections. Applying this [OII] EW correction to 20 SNe Ia in calibrator galaxies observed with WiFeS, we examined the impact on SN Ia absolute magnitudes and $H_{0}$. Our [OII] EW corrections result in $H_{0}$ values ranging between 73.04 to 73.51 $\mathrm{km} \mathrm{s}^{-1} \mathrm{Mpc}^{-1}$, with a combined statistical and systematic uncertainty of $\sim$1.31 $\mathrm{km} \mathrm{s}^{-1} \mathrm{Mpc}^{-1}$. However, even with this additional correction, the impact of host galaxy properties in standardising SNe Ia appears limited in reducing the current tension ($\sim$5$\sigma$) with the CMB result for $H_{0}$.

研究动机与目标

• 研究宿主星系中[OII]发射线等效宽度（EW）是否能改善Ia型超新星（SNe Ia）绝对星等的标准化。
• 检验[OII] EW在标准光变曲线修正后是否比常用的恒星质量阶梯更有效。
• 评估该[OII] EW校正对使用20个校准星系中SNe Ia样本测量哈勃常数（H₀）的影响。
• 评估宿主星系属性（包括[OII] EW）是否能缓解当前早期宇宙与晚期宇宙H₀测量之间的5σ哈勃张力。

提出的方法

• 使用暗能量调查（DES）中5年光度学识别的Ia型超新星，其宿主星系光谱来自澳大利亚暗能量调查（OzDES）。
• 测量宿主星系光谱中[OII] λ3727,29双线的等效宽度（EW），作为特定恒星形成率（sSFR）的代理。
• 将[OII] EW与经过标准光变曲线宽度和颜色修正后的SNe Ia峰值星等的哈勃残差进行相关性分析。
• 将[OII] EW校正应用于20个具有WiFeS光谱的校准星系中的SNe Ia，以重新估算绝对星等和H₀。
• 综合统计误差与系统误差，构建最终H₀的误差预算。
• 将[OII] EW校正的性能与标准质量阶梯进行比较，并评估其对哈勃张力的影响。

实验结果

研究问题

• RQ1 在对SNe Ia进行标准光变曲线修正后，[OII] λ3727,29等效宽度是否与哈勃残差显著相关？
• RQ2 在Ia型超新星绝对星等的校准中，[OII] EW是否比宿主星系恒星质量更有效地作为标准化参数？
• RQ3 当将[OII] EW校正应用于20个具有WiFeS数据的校准SNe Ia时，得到的H₀值是多少？
• RQ4 [OII] EW校正能在多大程度上缓解与基于CMB的H₀测量之间的哈勃张力？
• RQ5 未被解释的宿主星系系统误差（包括[OII] EW所探测的）是否是残余哈勃张力的原因？

主要发现

• [OII] EW在标准光变曲线修正后与哈勃残差存在显著相关性，表明其作为标准化参数具有实用性。
• [OII] EW校正比标准质量阶梯在减小SNe Ia哈勃残差离散度方面表现更优。
• 将[OII] EW校正应用于20个校准SNe Ia后，得出H₀ = 73.04–73.51 km s⁻¹ Mpc⁻¹，总不确定度约为1.31 km s⁻¹ Mpc⁻¹。
• 尽管有此改进，与基于CMB的H₀之间的哈勃张力仍维持在约5σ，表明仅靠宿主星系属性无法解决该差异。
• 本研究证实，质量阶梯可能是颜色修正过于简化的副产品，而[OII] EW提供了更具物理基础的替代方案。
• 结果表明，尽管[OII] EW改善了校准效果，但导致持续哈勃张力的潜在系统误差可能超出宿主星系属性的范畴。