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Sandbox Physics
宇宙距离阶梯怎样获得尺度

L1 · 宇宙距离阶梯

近处一把距离尺怎样量到远方

近处的距离标尺挪一点,遥远星系的推断距离也会跟着挪。天文学家在不同距离比较同类天体的光,先用一个几何距离定下尺度,再把这把尺传到远方。近处的一点偏差,就这样一路传开。

暗下来的光有两种解释

远处一盏灯很暗,可能灯本来就弱,也可能离得远。一张照片分不清。近处恒星还有另一条线索:地球绕太阳走到不同位置,恒星看起来会相对背景星轻微移动。这个周年位移给出几何距离,也让人知道恒星本来有多亮。

往更远处走,需要在别的星系里也能认出的天体。造父变星反复胀缩,亮度按周期升降。周期越长,通常本征光度越大。近处或有几何距离锚的造父星先定下周期与光度的关系,其他星系里的同类恒星便接上这把尺。

对应阅读:Riess et al. · Yuan et al.

一座星系把两种路标接在一起

有些星系既能测到造父星,又出现过 Ia 型超新星。造父星先估计星系距离;这个距离再把超新星峰值的视亮度换成本征光度。比较之前,还要按实测光变形状和颜色修正超新星亮度。这类经过统计修正的光源叫“标准化烛光”。

超新星足够亮,在更远处也能看见。远方样本的红移提供退行信息,标定后的亮度提供距离,两者的关系给出现今膨胀率,也就是哈勃常数。它的单位表示每远一百万秒差距,退行速度增加多少千米每秒;一百万秒差距约合326万光年。

对应阅读:Riess et al.

先想清楚偏差往哪边传

假定采用的几何锚距离变远,所有照片亮度都保持原样。锚星系里的造父星就必须本来更亮。别处的造父星若遵循同一关系,也要放得更远才能和原亮度相符。接着,标定超新星的本征光度变亮,远处超新星的距离随之增大。同一个红移对应更大距离,推断的膨胀率便减小。

十分之一个星等是一个不大的亮度标定偏移。若锚与超新星宿主造父星之间差了这么多,距离尺度约增大4.7%,哈勃常数反向减小约4.5%。这里冻结的小样本会从66.3移到63.3;它本来就有较宽误差,这组数字展示的是标定怎样传递。

对应阅读:Riess et al. · PantheonPlusSH0ES DataRelease

一起偏和只有一组偏,结果不同

现在让所有造父星亮度一起偏同样多:锚里的偏,宿主里的也偏。标定出的造父星光度会一起平移,彼此的差保持不变。这个模型里,宿主距离和膨胀率都不变。一个误差加在哪一组,和它有多大同样重要。

几何锚的不确定度还会由所有使用它的星系共同继承。多测造父星能改善相对比较,但每颗星都沿用同一个起始长度。把同一把尺反复用很多次,起点仍只有一个。现代拟合会保留距离之间的相关性,让共同误差跟着整条距离链走。

对应阅读:Riess et al. · Reid

换一种恒星,能检验距离链的哪些环节

红巨星支尖端提供另一条路。年老红巨星在氦点火前,亮度分布会到达一个较清楚的上边缘。先标定这个边缘的本征光度,再在别的星系找到同一边缘,就能估计距离。它使用不同恒星族,也会以不同方式受到拥挤和消光影响。

两条路仍可能共用一个几何锚和同一组远处超新星。这样比较,尤其能检验中间换掉的恒星标尺;共同起点与终点的误差依然相关。Reid、Pesce 和 Riess 在2019年论文里,用 NGC4258 水脉泽距离讨论了这种比较。后面的章节把这些共同和不同的部分逐项写成可计算的量。

对应阅读:Reid · Riess et al.

亲手观察

挪动距离尺度

  1. 打开“距离阶梯”。先预测把金色锚向右拖时,远处粉色星系会怎样移动,再比较它的推断距离。
  2. 比较“只偏移宿主零点”和“共同偏移相消”。后者同时改变两边的造父星零点,解释星系距离为何回到基线。
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来源与计算范围

  1. Riess et al., A Comprehensive Measurement of the Local Value of the Hubble Constant, arXiv:2112.04510 v 3 (2022)

    第2.1节与第4节定义联合模型和标定;第5节、表5、图14—16给出完整拟合与相关性,第6—7节讨论变体和比较。课程所述论文结论固定在这一版本。

  2. PantheonPlusSH0ES DataRelease, commit c447f0fea703fcd0fff57de5000947b5ca81286b

    ally、alll、allc FITS 数组包含3492项预处理观测、47个参数列及完整协方差。公开教程保留其中87项观测与涉及的全部非零模型列。table2.README 明确提醒,不能只拿表2的对角误差重新拟合。

  3. Reid, Pesce & Riess, An Improved Distance to NGC4258 and its Implications for the Hubble Constant, arXiv:1908.05625 v 2 (2019)

    水脉泽几何距离为7.576 Mpc,统计误差0.082 Mpc、系统误差0.076 Mpc。论文也用此锚标定红巨星支尖端,并讨论起点、终点相同时的比较。

  4. Yuan et al., A New Cepheid Distance to the Maser-Host Galaxy NGC4258, arXiv:2203.06681 v 1 (2022)

    第2—4节介绍 HST 观测、造父星选择与周期—光度拟合。发现星表与近红外标定样本大小不同;发布矩阵含443颗 NGC4258 造父星。

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