[论文解读] The Evidence for the Long Distance Scale with H 0 < 65

Allan Sandage, G. Tammann|arXiv (Cornell University)|Nov 20, 1996

Gamma-ray bursts and supernovae参考文献 1被引用 3

一句话总结

本文基于三种独立方法论证了较低的哈勃常数 H₀ ≈ 55 ± 10 km s⁻¹ Mpc⁻¹：利用造父变星距离校准的Ia型超新星、使用多种独立技术（包括Tully-Fisher法和HST造父变星）测定的室女座星系团距离，以及校正了选择偏差的场旋涡星系。作者认为更高的 H₀ 值（>70）是由于未校正的观测偏差和现有文献中错误的前提所导致的人为结果。

ABSTRACT

The status of the determination of the Hubble constant is reviewed, setting out the evidence for the long distance scale with H_0=55+/-5. In parallel, various precepts said to favor the short distance scale with H_0>70 are discussed. The strongest evidence for the long scale are (1) the calibration of the peak absolute magnitude of type Ia supernovae with their Hubble diagram, (2) the distance to the Virgo cluster by six largely independent methods, and (3) field spirals binned by luminosity class. The three methods give H_0=56+/-3, 55+/-2, and 53+/-3 (internal errors). H_0 does not vary significantly over scales from 10-500 Mpc. Higher values of H_0 still in the literature are based on (1) an untenably small distance to the Virgo cluster, (2) an untenably large Virgo cluster velocity, (3) a questionable route through the Coma cluster, (4) an incorrect precept that the Cepheid distance to NGC 1365 gives the distance to NGC 1613, parent to two SNe Ia, calibrating them, (5) an unjustified reliance on planetary nebulae and surface brightness fluctuations as distance indicators, and (6) either an underestimation or a neglect of the importance of observational selection bias in flux-limited samples. There is no valid evidence for H_0>70. The status of the time scale test is reviewed. The result is 13-14 (+/-2) Gyr for the age of the Galactic globular cluster system. There is no time scale crisis provided that q_0<0.3, H_0=55, and Lambda=0.

研究动机与目标

• 通过评估文献中报告的高 H₀ 值（>70）的有效性，解决哈勃常数持续存在的争议。
• 证明低 H₀（≈55）的证据在多种独立距离指示器中均具有稳健性。
• 识别并校正观测选择偏差（特别是马尔姆奎斯特偏差和Teerikorpi偏差），这些偏差在流量受限样本中系统性地高估 H₀。
• 质疑依赖行星状星云、表面亮度涨落或错误的星系团距离假设等方法声称高 H₀ 值的合理性。
• 在假设 H₀ ≈ 55 且 q₀ < 0.3 的宇宙学模型下，调和球状星团年龄（~13–14 Gyr）与该模型的一致性，避免时间尺度危机。

提出的方法

• 利用本地星系中造父变星的距离校准Ia型超新星的峰值绝对星等，并将哈勃图与遥远宇宙的动力学参考系关联。
• 采用六种独立方法测定室女座星系团的距离，包括使用完整星系团样本的Tully-Fisher法和HST造父变星数据，得出 D ≈ 22 Mpc 和 H₀ ≈ 55 ± 2。
• 按光度分类对场旋涡星系进行分箱，应用偏差校正（如马尔姆奎斯特校正），并利用造父变星距离进行校准，得出 H₀ ≈ 53 ± 3。
• 使用物理距离指示器（如Ia型超新星的膨胀光球模型、星系团中的Sunyaev-Zeldovich效应和引力透镜）交叉验证 H₀ ≈ 50–65。
• 对星系团样本（Teerikorpi偏差）和场星系样本（马尔姆奎斯特偏差）中的观测选择偏差应用校正，表明未校正的数据会人为高估 H₀。
• 回顾时延膨胀和Tolman表面亮度测试，以确认宇宙膨胀的真实性，并支持 H₀ 值的一致性。

实验结果

研究问题

• RQ1 哈勃常数的真实值是多少？它是否与最古老恒星的年龄一致？
• RQ2 为何许多近期研究报告 H₀ > 70？这些值背后的系统性误差是什么？
• RQ3 在流量受限样本中，观测选择偏差（如星系团和场星系研究中的偏差）在多大程度上扭曲了 H₀ 的估计？
• RQ4 独立的物理方法（如Ia型超新星模型、Sunyaev-Zeldovich效应）能否证实约 55 km s⁻¹ Mpc⁻¹ 的低 H₀ 值？
• RQ5 如果 H₀ ≈ 55 且球状星团年龄约为 13–14 Gyr，是否存在宇宙学时间尺度危机？

主要发现

• 三种主要方法——造父变星校准的Ia型超新星、通过六种独立技术测定的室女座星系团距离，以及校正选择偏差的场旋涡星系——分别得出 H₀ = 56 ± 3、55 ± 2 和 53 ± 3（内部误差）。
• 结合外部误差估计后，共识的 H₀ 值为 55 ± 10 km s⁻¹ Mpc⁻¹，且在 10 至 500 Mpc 的尺度范围内无显著差异。
• 文献中较高的 H₀ 值（>70）源于未校正的观测选择偏差，包括场星系中的马尔姆奎斯特偏差和星系团样本中的Teerikorpi偏差。
• 认为室女座星系团中M100的造父变星距离等于星系团平均距离的说法无效，这会导致室女座星系团距离被错误地缩小，从而人为高估 H₀。
• 假设福瑙斯星系团中的NGC 1365定义了NGC 1613（两颗Ia型超新星的宿主）的距离在物理上站不住脚，且违反了Ia型超新星峰值星等观测到的低弥散性。
• 银河系球状星团系统的年龄估计为 13–14 Gyr（±2 Gyr），若考虑1 Gyr的形成期，则与 H₀ = 55 和 q₀ < 0.3 一致，解决了标准模型中的任何时间尺度危机。