[论文解读] Cosmicflows-4

R. Brent Tully, Ehsan Kourkchi+15 more|arXiv (Cornell University)|Sep 22, 2022

Gamma-ray bursts and supernovae被引用 4

一句话总结

Cosmicflows-4 整合了 55,877 个星系在 38,065 个星系群中的距离，使用八种方法，包括 Tully-Fisher 关系和基本平面关系，以超新星和造父变星/红巨星分支尖端作为绝对标定。其报告的哈勃常数为 $H_0 = 74.6 \pm 0.8$ km s⁻¹ Mpc⁻¹（统计误差），并存在约 3 km s⁻¹ Mpc⁻¹ 的较大潜在系统性不确定度。

ABSTRACT

With Cosmicflows-4, distances are compiled for 55,877 galaxies gathered into 38,065 groups. Eight methodologies are employed, with the largest numbers coming from the correlations between the photometric and kinematic properties of spiral galaxies (TF) and elliptical galaxies (FP). Supernovae that arise from degenerate progenitors (type Ia Sne) are an important overlapping component. Smaller contributions come from distance estimates from the surface brightness fluctuations of elliptical galaxies and the luminosities and expansion rates of core collapse supernovae (SNII). Cepheid period-luminosity relation and tip of the red giant branch observations founded on local stellar parallax measurements along with the geometric maser distance to NGC 4258 provide the absolute scaling of distances. The assembly of galaxies into groups is an important feature of the study in facilitating overlaps between methodologies. Merging between multiple contributions within a methodology and between methodologies is carried out with Bayesian Markov chain Monte Carlo procedures. The final assembly of distances is compatible with a value of the Hubble constant of $H_0=74.6$ km s$^{-1}$ Mpc$^{-1}$ with the small statistical error of $\pm 0.8$ km s$^{-1}$ Mpc$^{-1}$ but a large potential systematic error of ~3 km s$^{-1}$ Mpc$^{-1}$. Peculiar velocities can be inferred from the measured distances. The interpretation of the field of peculiar velocities is complex because of large errors on individual components and invites analyses beyond the scope of this study.

研究动机与目标

• 整合全天区星系距离的全面、多方法目录，以改善对哈勃常数和特殊速度场的约束。
• 通过结合多种独立的距离指示器并采用共同的绝对标定，解决哈勃常数测量中的差异。
• 通过将星系群整合到一致的距离网络中，实现大尺度结构和特殊速度的详细测绘。
• 通过贝叶斯合并多种方法的重叠距离估计，减少统计误差。
• 提供一个公开的、高精度的资源，供宇宙学和天体物理学研究使用，采用多方法、多标定器的方法。

提出的方法

• 使用八种不同的方法收集星系距离：Tully-Fisher (TF)、基本平面 (FP)、Ia 型和 II 型超新星 (SNe Ia, II)、表面亮度涨落 (SBF)、造父变星周期-光度关系 (CPLR) 和红巨星分支尖端 (TRGB)。
• 利用造父变星和 TRGB 标定，以及 NGC 4258 的几何脉泽距离，将所有距离估计锚定到绝对尺度。
• 应用贝叶斯马尔可夫链蒙特卡洛 (MCMC) 程序，合并方法内部和方法之间的重叠距离估计，以最小化不一致性。
• 将星系划分为 38,065 个系统，以增强跨方法的一致性并提高距离网络的密度。
• 采用分层数据模型，其中星系群的总距离由个体星系的贡献推导得出，通过统计和系统性不确定度传播误差。
• 依赖来自光学、H I 和红外巡天的广泛观测数据，通过方法间的交叉验证识别并减轻异常值。

实验结果

研究问题

• RQ1 当结合多种独立的距离指示器时，哈勃常数 $H_0$ 的最准确和一致的估计值是什么？
• RQ2 当校准到共同的绝对尺度时，不同距离指示器（如 TF、FP、SNe Ia）在一致性和精度方面如何比较？
• RQ3 在异质的、多方法的距离目录中，特殊速度场在多大程度上可以可靠地重建？
• RQ4 系统性不确定度对最终哈勃常数估计的影响是什么，如何量化这些影响？
• RQ5 星系群的整合在多大程度上提高了宇宙学距离测量的鲁棒性和空间覆盖范围？

主要发现

• Cosmicflows-4 最终的哈勃常数估计为 $H_0 = 74.6 \pm 0.8$ km s⁻¹ Mpc⁻¹，统计误差较小。
• 仍存在约 3 km s⁻¹ Mpc⁻¹ 的较大潜在系统性误差，表明各方法之间存在未解决的系统性偏差。
• Tully-Fisher 和基本平面关系贡献最大，包含超过 55,000 个星系和 38,000 个星系群。
• Ia 型超新星在 $z \sim 0.1$ 以内提供约 7% 精度的贡献，而 SBF 和 TRGB 方法在 20 Mpc 内提供高精度的锚点。
• 贝叶斯 MCMC 合并过程成功调和了重叠的距离估计，减少了不同方法间的不一致性。
• 该目录作为 CF4 All Groups 和 CF4 All Group Velocities 在 https://edd.ifa.hawaii.edu 的河外距离数据库中公开提供。