[论文解读] Calibrating the Tully-Fisher Relation to Measure the Hubble Constant

D. Scolnic, Paula Boubel+3 more|arXiv (Cornell University)|Dec 11, 2024

Relativity and Gravitational Theory被引用 5

一句话总结

本文重新审视透射-旋转距离尺（Tully-Fisher, TF）距离尺，识别并纠正两个零点差异，推导出 H0 = 76.3 ± 2.1（统计）± 1.5（系统）km/s/Mpc，将基于 TF 的 H0 与其他标定结果对齐，并强调哈勃张力并非由单一距离指示器所致。

ABSTRACT

Boubel et al. 2024 (B24) recently used the Tully-Fisher (TF) relation to measure calibrated distances in the Hubble flow and found $H_0= 73.3 \pm 2.1 (stat) \pm 3.5 (sys)$ km/s/Mpc. The large systematic uncertainty was the result of propagating the conflict between two sources of empirical distance calibration: a difference in zeropoint when calibrating the TF relation with Type Ia supernovae (SNe Ia) versus Cepheids and Tip-of-the-Red-Giant-Branch (TRGB) and an apparent difference in zeropoint between two distinct TRGB datasets. We trace the SN Ia-based calibration used in the TF analysis to a study where $H_0$ was fixed to 70 km/s/Mpc rather than measured, (with host distances derived from redshifts and the Hubble law), thus introducing a discrepancy with the other empirically calibrated indicators. In addition, we trace the difference in TRGB zeropoints to a miscalibration of $0.14$ mag that should be $\sim0.01-0.04$ mag. Using the consistent Cepheid and TRGB calibration from B24 while removing the problematic data reduces the systematic error by a factor of two and results in $H_0 = 76.3 \pm 2.1 extrm{(stat)} \pm 1.5 extrm{(sys)}$ km/s/Mpc. This measurement is consistent with previous determinations of $H_0$ using the TF relation. We also show that most determinations of $H_0$ measurements that replace Type Ia supernovae measurements with another far-field distance indicator yield $H_0>73$ km/s/Mpc, reinforcing previous findings that the Hubble tension is not tied to any one distance indicator.

研究动机与目标

• 评估 Boubel 等人（2024）报告的基于 TF 的 H0 测量中的系统性不确定性来源。
• 识别在 TF 分析中使用的 Cepheid/TRGB 与 SNeIa 标定之间的零点差异。
• 给出使用一致的 Cepheid 和 TRGB 标定的修正后 TF 基础的 H0。
• 评估不同距离指示器如何影响推断的 H0 及哈勃张力。
• 阐明 TF 基于的结果是否与其他距离尺测量的 H0 一致。

提出的方法

• 追踪所引用研究中使用的 TF 零点标定路径（Cepheids、TRGB、SNe Ia）。
• 使用匹配数据集（Kowalski 等 2008；Pantheon+）将 SN Ia 基标定与 Cepheid/TRGB 标定进行比较。
• 评估 Makarov 等 2014 与 Freedman 等 2019 之间的 TRGB 零点差异并归因于差异。
• 将 TF 标定限定在 Cepheids 和 TRGB，以量化零点系统误差并降低不确定性。
• 使用带有 Cepheid 和 TRGB 标定的 WISE W1 波段 TF 计算 H0；传播几何和零点不确定性。
• 讨论 TF 零点标定的离散度及其对系统误差预算的影响。

实验结果

研究问题

• RQ1 用 SNe Ia 与 Cepheids/TRGB 校准 TF 时会产生哪些零点差异，它们如何影响 H0？
• RQ2 来自不同目录（M14 与 F19）的 TRGB 零点标定如何影响基于 TF 的 H0？
• RQ3 仅使用 Cepheid 和 TRGB 标定进行 TF 时的 H0 值是多少，以及相关的不确定性？
• RQ4 在使用共同的 Cepheid/TRGB 标标定时，TF 基于的 H0 与其他距离指示测量是否一致？
• RQ5 用其他远距离指示器替代 SNe Ia 是否在各方法中系统性地提高或降低 H0？

主要发现

• 纠正零点差异得到 H0 = 76.3 ± 2.1（统计）± 1.5（系统）km/s/Mpc，使用 WISE W1 波段 TF。
• 当舍弃 SNe Ia 和误识别的 TRGB 数据时，Cepheid/TRGB 零点差异引起的系统不确定性从约 3.5 降至约 0.5 km/s/Mpc。
• Cepheid 与 TRGB 标定给出一致的 H0 值（76.1 ± 3.0 和 76.1 ± 2.7），均在给定误差内。
• 使用 Cepheid/TRGB 标定时，基于 TF 的 H0 仍高于许多基于 SN Ia 的标尺结果，与先前的 TF 测量一致。
• 在 H0 分析中用其他远距离指示器替代 SNe Ia 通常得到 H0 > 73 km/s/Mpc，表明张力在各指示器之间仍然存在。