[论文解读] Cepheid Metallicity in the Leavitt Law (C- MetaLL) survey: IV. The metallicity dependence of Cepheid Period-Luminosity relations

E. Trentin, V. Ripepi+11 more|arXiv (Cornell University)|Oct 5, 2023

Astronomy and Astrophysical ResearchPhysics and Astronomy被引用 3

一句话总结

本研究利用包含910颗银河系经典造父变星的样本，结合精确的[Fe/H]值与盖亚DR3天体测量数据，调查了从光学到近红外波段的造父变星周期-光度（PL）关系与韦森海特（PW）关系的金属丰度依赖性。研究发现，PL/PW关系的截距存在强烈的负金属丰度效应（γ ≈ −0.4 至 −0.5 mag/dex），显著大于大多数先前估计值，而斜率的金属丰度依赖性仍无法确定。

ABSTRACT

Classical Cepheids (DCEPs) play a fundamental role in the calibration of the extra-galactic distance ladder which eventually leads to the determination of the Hubble constant($H_0$) thanks to the period-luminosity ($PL$) and period-Wesenheit ($PW$) relations exhibited by these pulsating variables. Therefore, it is of great importance to establish the dependence of $PL/PW$ relations on metallicity. We aim at quantifying the metallicity dependence of the Galactic DCEPs' $PL/PW$ relations for a variety of photometric bands ranging from optical to near-infrared. We gathered a literature sample of 910 DCEPs with available [Fe/H] values from high-resolution spectroscopy or metallicities from \gaia\ Radial Velocity Spectrometer. For all these stars, we collected photometry in the $G_{BP},G_{RP},G,I,V,J,H,K_S$ bands and astrometry from the \gaia\ DR3. These data have been used to investigate the metal dependence of both intercepts and slopes of a variety of $PL/PW$ relations at multiple wavelengths. We find a large negative metallicity effect on the intercept ($γ$ coefficient) of all the $PL/PW$ relations investigated in this work, while present data still do not allow us to draw firm conclusions regarding the metal dependence of the slope ($δ$ coefficient). The typical values of $γ$ are around $-0.4:-0.5$ mag/dex, i.e. larger than most of the recent determinations present in the literature. We carried out several tests which confirm the robustness of our results. As in our previous works, we find that the inclusion of global zero point offset of \gaia\ parallaxes provides smaller values of $γ$ (in an absolute sense). However, the assumption of the geometric distance of the LMC seems to indicate that larger values of $γ$ (in an absolute sense) would be preferred.

研究动机与目标

• 量化造父变星周期-光度（PL）与韦森海特（PW）关系在多个测光波段中的金属丰度依赖性。
• 通过改进宇宙距离阶梯中的金属丰度修正，解决哈勃常数测量中的未解矛盾。
• 评估视差零点偏移与大麦哲伦云（LMC）距离假设对金属丰度校准的影响。
• 探究样本金属丰度分布不均是否影响所推导的金属丰度依赖性的稳健性。
• 为未来哈勃常数（H₀）校准提供PL/PW关系截距（γ）与斜率（δ）系数的改进约束。

提出的方法

• 整理了910颗银河系经典造父变星的样本，其[Fe/H]值来自高分辨率光谱或盖亚RVS，测光数据来自盖亚DR3与文献的G、G_BP、G_RP、V、I、J、H、K_S波段。
• 应用盖亚DR3天体测量与视差数据，包括Luri等人（2021）（L21）提出的零点偏移校正。
• 拟合了三参数与四参数的PL与PW关系（PL、PW、PWZ），包含周期、金属丰度与波段相关项。
• 采用稳健的拟合程序，结合自助抽样与重采样方法，检验因金属丰度分布不均导致的偏差。
• 在不同假设下比较结果：全局视差零点偏移（−14、−22 μas）、大麦哲伦云（LMC）几何距离（Pietrzyński et al. 2019），以及样本子集（F与F+1O）。
• 通过对比盖亚与文献测光数据，以及高分辨率（HiRes）与盖亚RVS的[Fe/H]值，验证结果的一致性。

实验结果

研究问题

• RQ1 在光学至近红外波段，PL与PW关系截距（γ）的金属丰度依赖性如何？
• RQ2 PL与PW关系的斜率（δ）是否依赖于金属丰度？若依赖，其依赖关系如何？
• RQ3 全局视差零点偏移（如−14或−22 μas）如何影响推导出的金属丰度依赖性？
• RQ4 在金属丰度分布不均导致的样本偏差下，所观测到的金属丰度依赖性是否稳健？
• RQ5 假设大麦哲伦云（LMC）的几何距离作为参考，是否会使γ的绝对值偏大或偏小？

主要发现

• 在所有波段中均发现PL与PW关系截距存在强烈的负金属丰度依赖性，γ ≈ −0.4 至 −0.5 mag/dex，显著大于大多数先前文献估计值。
• 引入全局视差零点偏移（如−14或−22 μas）会降低γ的绝对值，使其更符合近期文献结果。
• 然而，若假设大麦哲伦云（LMC）的几何距离（Pietrzyński et al. 2019）作为参考，则更倾向于支持更大的γ绝对值，提示真实值可能更接近−0.5 mag/dex。
• 斜率（δ）的金属丰度依赖性仍无法确定：在大多数情况下，δ在1σ范围内与零一致；在仅使用文献数据的样本中，δ常为正值（0至+0.5）。
• 通过重采样平衡金属丰度分布，结果验证了其稳健性，不受样本偏差影响，因10,000次重采样集合的中位系数与全样本结果一致。
• 包含铁含量不确定星体的F+1O样本中，γ与δ的误差条更大，但整体结论未改变。