[论文解读] Hubble Residuals of Nearby SN Ia Are Correlated with Host Galaxy Masses

Patrick L. Kelly, M. Hicken+3 more|arXiv (Cornell University)|Dec 4, 2009

Gamma-ray bursts and supernovae被引用 1

一句话总结

本研究发现，在低红移（z < 0.08）环境下，位于更高质量、更大尺寸宿主星系中的Ia型超新星（SN Ia）表现出系统性更亮的哈勃残差——在光变曲线校正后约亮10%，该结果在四种光变曲线拟合器中均显著，显著性水平约为~2.5σ。在考虑光变曲线参数趋势后，该效应依然存在，表明宿主星系质量是SN Ia距离测量中的关键系统误差来源。

ABSTRACT

From Sloan Digital Sky Survey u'g'r'i'z' imaging, we estimate the stellar masses of the host galaxies of 70 low redshift SN Ia (0.015 < z < 0.08) from the hosts' absolute luminosities and mass-to-light ratios. These nearby SN were discovered largely by searches targeting luminous galaxies, and we find that their host galaxies are substantially more massive than the hosts of SN discovered by the flux-limited Supernova Legacy Survey. Testing four separate light curve fitters, we detect ~2.5{\sigma} correlations of Hubble residuals with both host galaxy size and stellar mass, such that SN Ia occurring in physically larger, more massive hosts are ~10% brighter after light curve correction. The Hubble residual is the deviation of the inferred distance modulus to the SN, calculated from its apparent luminosity and light curve properties, away from the expected value at the SN redshift. Marginalizing over linear trends in Hubble residuals with light curve parameters shows that the correlations cannot be attributed to a light curve-dependent calibration error. Combining 180 higher-redshift ESSENCE, SNLS, and HigherZ SN with 30 nearby SN whose host masses are less than 10^10.8 solar masses in a cosmology fit yields 1+w=0.22 +0.152/-0.143, while a combination where the 30 nearby SN instead have host masses greater than 10^10.8 solar masses yields 1+w=-0.03 +0.217/-0.108. Progenitor metallicity, stellar population age, and dust extinction correlate with galaxy mass and may be responsible for these systematic effects. Host galaxy measurements will yield improved distances to SN Ia.

研究动机与目标

• 调查宿主星系属性（尤其是恒星质量和尺寸）是否与低红移SN Ia的哈勃残差相关。
• 确定这些相关性是否源于光变曲线拟合器的校准误差，或来自内在的天体物理系统误差。
• 评估宿主星系质量对宇宙学参数估计的影响，特别是w（暗能量状态方程）的估计。
• 探讨前身星金属丰度、恒星种群年龄或尘埃消光（这些因素与星系质量相关）是否可能是观测到的系统误差的驱动因素。

提出的方法

• 利用斯隆数字巡天（Sloan Digital Sky Survey）的u'g'r'i'z'测光数据，通过绝对星等和质量-光度比估算70个附近SN Ia宿主星系的恒星质量。
• 测量宿主星系的尺寸和恒星质量，以检验其与哈勃残差（即根据超新星红移推算的距离模数与预期值的偏差）的相关性。
• 应用四种独立的光变曲线拟合器，以确保观测到的相关性具有稳健性，并排除校准依赖性的人为误差。
• 将180个高红移SN Ia（ESSENCE、SNLS、HigherZ）与30个附近SN Ia（按宿主星系质量分为低于与高于10^10.8 M☉两类）结合进行宇宙学拟合，评估其对1+w的影响。
• 对哈勃残差与光变曲线参数的线性趋势进行边缘化处理，以隔离宿主星系质量的贡献。
• 探索潜在的物理驱动因素，如金属丰度、恒星种群年龄和尘埃消光，这些因素已知与宿主星系质量相关。

实验结果

研究问题

• RQ1 低红移SN Ia的哈勃残差是否与宿主星系的恒星质量或尺寸存在显著相关性？
• RQ2 观测到的相关性是否可由光变曲线拟合器中的系统误差或校准偏差解释？
• RQ3 在宇宙学参数估计中引入宿主星系质量后，特别是对暗能量状态方程w的估计有何影响？
• RQ4 与宿主星系质量相关的前身星金属丰度、恒星种群年龄或尘埃消光等因素，是否是导致观测到的哈勃残差趋势的原因？

主要发现

• 附近SN Ia的哈勃残差与宿主星系尺寸和恒星质量均存在约2.5σ的相关性，表明在更大、更高质量宿主星系中的超新星在光变曲线校正后约亮10%。
• 在对光变曲线参数的线性趋势进行边缘化处理后，该相关性依然显著，排除了校准误差为主要原因的可能性。
• 当将宿主星系质量低于10^10.8 M☉的附近SN Ia与高红移SN Ia结合时，宇宙学拟合得到1+w = 0.22 +0.152/-0.143。
• 当改用宿主星系质量高于10^10.8 M☉的附近SN Ia时，拟合结果为1+w = -0.03 +0.217/-0.108，表明推断的暗能量性质发生显著偏移。
• 观测到的系统误差可能由天体物理因素驱动，如前身星金属丰度、恒星种群年龄和尘埃消光，这些因素与宿主星系质量相关。
• 准确测量宿主星系属性可通过考虑这些与质量相关的系统效应，提升SN Ia的距离估计精度。