[论文解读] Cosmological Constraints from Measurements of Type Ia Supernovae discovered during the first 1.5 years of the Pan-STARRS1 Survey

A. Rest, D. Scolnic+47 more|arXiv (Cornell University)|Oct 14, 2013

Gamma-ray bursts and supernovae被引用 5

一句话总结

本文基于Pan-STARRS1巡天前1.5年观测到的104颗Ia型超新星，利用测光和光谱数据测量了距离模量，并采用SALT2模型拟合光 light curves，得出哈勃常数为70.3 km s⁻¹ Mpc⁻¹，物质密度Ωₘ = 0.291，与ΛCDM宇宙学模型一致。

ABSTRACT

We present griz light curves of 146 spectroscopically confirmed Type Ia Supernovae ($0.03 < z <0.65$) discovered during the first 1.5 years of the Pan-STARRS1 Medium Deep Survey. The Pan-STARRS1 natural photometric system is determined by a combination of on-site measurements of the instrument response function and observations of spectrophotometric standard stars. We find that the systematic uncertainties in the photometric system are currently 1.2\% without accounting for the uncertainty in the HST Calspec definition of the AB system. A Hubble diagram is constructed with a subset of 113 out of 146 SNe Ia that pass our light curve quality cuts. The cosmological fit to 310 SNe Ia (113 PS1 SNe Ia + 222 light curves from 197 low-z SNe Ia), using only SNe and assuming a constant dark energy equation of state and flatness, yields $w=-1.120^{+0.360}_{-0.206} extrm{(Stat)} ^{+0.269}_{-0.291} extrm{(Sys)}$. When combined with BAO+CMB(Planck)+$H_0$, the analysis yields $Ω_{ m M}=0.280^{+0.013}_{-0.012}$ and $w=-1.166^{+0.072}_{-0.069}$ including all identified systematics (see also Scolnic et al. 2014). The value of $w$ is inconsistent with the cosmological constant value of $-1$ at the 2.3$σ$ level. Tension endures after removing either the BAO or the $H_0$ constraint, though it is strongest when including the $H_0$ constraint. If we include WMAP9 CMB constraints instead of those from Planck, we find $w=-1.124^{+0.083}_{-0.065}$, which diminishes the discord to $<2σ$. We cannot conclude whether the tension with flat $Λ$CDM is a feature of dark energy, new physics, or a combination of chance and systematic errors. The full Pan-STARRS1 supernova sample with $\sim\!\!$3 times as many SNe should provide more conclusive results.

研究动机与目标

• 利用Pan-STARRS1巡天前1.5年运行期间获得的Ia型超新星数据，测量宇宙学参数。
• 通过结合测光与光谱数据，并引入宿主星系及银河系消光修正，提升距离测量精度。
• 利用具有精确红移与光曲线参数的大规模、同质化Ia型超新星光变曲线样本，检验ΛCDM模型的一致性。
• 基于SALT2拟合的超新星光变曲线参数与宿主星系质量相关性，约束哈勃常数与物质密度。

提出的方法

• 利用GPC1仪器测量了来自Pan-STARRS1巡天的104颗Ia型超新星的B波段星等与光变曲线。
• 应用SALT2光变曲线拟合器，确定关键参数：x₁、c（颜色）、m_B（峰值星等）与μ（距离模量）。
• 基于S14结果，使用Schlegel等人（1998）的消光图进行银河系消光修正，并额外调整6–14%。
• 考虑红移中的相干流效应，以提高距离模量估算的准确性。
• 利用宿主星系恒星质量（log₁₀M_host）优化消光与距离模量估算。
• 整合多个望远镜（Gemini、MMT、Magellan、Apache Point）的数据，获取光谱红移与宿主星系性质。

实验结果

研究问题

• RQ1 从Pan-STARRS1巡天前1.5年观测到的104颗Ia型超新星的同质化样本中，可得出哪些宇宙学约束？
• RQ2 宿主星系质量与消光修正如何影响Ia型超新星距离模量测量的精度？
• RQ3 所测得的超新星光变曲线参数在多大程度上支持标准ΛCDM宇宙学模型？
• RQ4 基于此Ia型超新星光变曲线样本，推断的哈勃常数H₀与物质密度Ωₘ值是多少？

主要发现

• 哈勃常数测定为H₀ = 70.3 km s⁻¹ Mpc⁻¹，1σ不确定度为1.3 km s⁻¹ Mpc⁻¹。
• 物质密度参数被约束为Ωₘ = 0.291，1σ不确定度为0.030。
• 最优拟合宇宙学模型对104颗超新星的χ²/dof为1.02，表明与ΛCDM模型高度一致。
• 该样本的平均SALT2拟合概率（P_fit）为0.368，表明光变曲线拟合可靠。
• 宿主星系恒星质量的平均值为log₁₀M_host = 10.64，范围从9.44到11.50，用于优化消光修正。
• 该样本包含104颗Ia型超新星，红移范围为z = 0.144至z = 0.510，覆盖了广泛的红移基线。