[论文解读] Tully-Fisher relation

Khaled Saïd|arXiv (Cornell University)|Oct 24, 2023

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena被引用 4

一句话总结

本文回顾了Tully-Fisher关系作为星系距离指示器的关键作用，解释了其基于螺旋星系光度与旋转速度关联的实证基础，以及其在测量哈勃常数中的核心地位。研究表明，自2000年以来的现代Tully-Fisher测量结果一致显示H₀ ≈ 74–76 km s⁻¹ Mpc⁻¹，与本地低红移探测方法（如SH0ES）结果一致，并强调其在宇宙学研究和H₀张力争议中的日益重要性。

ABSTRACT

The observed radial velocity of a galaxy consists of two main components: the recession velocity caused by the smooth Hubble expansion and the peculiar velocity resulting from the gravitational attraction of growing structures due to matter density fluctuations. To isolate the recession velocity component and calculate the Hubble constant, accurate measurements of true distances are needed. The Tully-Fisher relation is an empirical correlation between the luminosity and rotational velocity of spiral galaxies that serves as a distance indicator to measure distances independent of redshift. The Tully-Fisher relation has played an important role in Hubble constant measurements since its inception. This chapter delves into the significance of the Tully-Fisher relation in such measurements and explores its implications. We begin by discussing the definition and historical background of the Tully-Fisher relation. We also explore the observational evidence supporting this relation and discuss its advantages and limitations. The chapter then focuses on the methodology of using the Tully-Fisher relation for Hubble constant measurements. This includes detailed explanations of calibration techniques and biases. We emphasize the advantages of utilizing the Tully-Fisher relation, such as its ability to provide accurate distance measurements even at significant redshift where other methods may encounter challenges.

研究动机与目标

• 回顾Tully-Fisher关系作为螺旋星系距离指示器的历史发展与实证基础。
• 考察使用Tully-Fisher关系测量哈勃常数所涉及的方法论挑战与校准技术。
• 评估该关系在宇宙学研究中的作用，包括大尺度结构测绘与整体流动测量。
• 在当前H₀张力的背景下，评估基于Tully-Fisher关系得出的H₀测量的一致性与精度。
• 展望未来前景，包括DESI和WALLABY等未来巡天项目对提升距离与H₀测量精度的影响。

提出的方法

• Tully-Fisher关系将螺旋星系的总绝对星等与其最大旋转速度相关联，后者通过H I线宽测量获得。
• 通过比较由旋转速度预测的绝对星等与观测到的视星等，利用距离模数推导距离。
• 利用具有独立距离测量（如造父变星）的本地星系对关系进行校准，以确定光度-速度零点。
• 通过统计与筛选技术，对倾角修正、Malmquist偏差及特殊速度修正等系统性偏差进行处理。
• 整合来自大型巡天（如CosmicFlows-4、SFI++）及未来巡天（DESI、WALLABY）的数据，以提升统计稳健性。
• 使用最小方差估计器等统计估计方法测量整体流动，以减少H₀估计中的不确定性。

Figure 1: Illustrating how the Tully-Fisher relation combines photometric and spectroscopic data to enable the estimation of galaxy distance. In order to use the Tully-Fisher relation to measure distances, we need to build something called template relation. (A) shows a sample of galaxies with known

实验结果

研究问题

• RQ1 Tully-Fisher关系如何实现对螺旋星系的精确距离测量，且不受红移影响？
• RQ2 基于Tully-Fisher的H₀测量中的关键系统性偏差有哪些？它们如何被校准与修正？
• RQ3 Tully-Fisher方法得出的H₀值与造父变星-超新星Ia（SH0ES）和宇宙微波背景（Planck）探测结果相比如何？
• RQ4 Tully-Fisher关系在重建本星系群三维密度场与速度场中发挥什么作用？
• RQ5 未来巡天如DESI和WALLABY将如何提升基于Tully-Fisher关系的H₀测量精度与覆盖范围？

主要发现

• 自2000年以来，Tully-Fisher方法测量的哈勃常数稳定在74–76 km s⁻¹ Mpc⁻¹范围内，与SH0ES测得的75.5 ± 2.5 km s⁻¹ Mpc⁻¹结果一致。
• CosmicFlows-4巡天提供了10,000个Tully-Fisher距离的同质样本，是现代H₀估计的关键数据集。
• 未来巡天如DESI和WALLABY预计分别提供50,000和200,000个Tully-Fisher距离，显著降低统计误差。
• Tully-Fisher关系能够实现三维宇宙速度场与密度场的重建，如利用Wiener滤波技术对Laniakea超星系团的映射所示。
• 尽管早期H₀值存在较大离散性（如1977年为80 km s⁻¹ Mpc⁻¹），但现代技术已使结果趋于稳定，不确定性降低，一致性提高。
• 该方法在造父变星不可用的中等红移区域仍为H₀测量提供稳健工具，因此在H₀张力争议中具有关键作用。

Figure 3: A sample of published Hubble constant ( $H_{0}$ ) measurements using Tully-Fisher relation spanning from 1977 to 2023. Most of these measurements are obtained by different teams using different data given in table 0.3 . The red band highlights the most recent Hubble constant value and its