[論文レビュー] A Hubble constant measurement from superluminal motion of the jet in GW170817

Kenta Hotokezaka, Ehud Nakar+6 more|arXiv (Cornell University)|Jun 27, 2018

Gamma-ray bursts and supernovae被引用数 5

ひとこと要約

本稿では、GW170817の重力波データに加え、超光速ジェット運動および後光光曲線の新しいVLBI観測を組み合わせることで、ハッブル定数 H₀ = 68.9⁺⁴.⁷₋⁴.⁶ km/s/Mpc の高精度な測定を提示する。電波観測による視線角の改善により、標準サイン音距離測定の不確実性が低減され、モデルに依存しないH₀推定値が得られ、プランク測定と局所的セフェイド-超新星測定の間にある矛盾の解消に貢献する。

ABSTRACT

The Hubble constant ($H_0$) measures the current expansion rate of the Universe, and plays a fundamental role in cosmology. Tremendous effort has been dedicated over the past decades to measure $H_0$. Notably, Planck cosmic microwave background (CMB) and the local Cepheid-supernovae distance ladder measurements determine $H_0$ with a precision of $\\sim 1\\%$ and $\\sim 2\\%$ respectively. A $3$-$\\sigma$ level of discrepancy exists between the two measurements, for reasons that have yet to be understood. Gravitational wave (GW) sources accompanied by electromagnetic (EM) counterparts offer a completely independent standard siren (the GW analogue of an astronomical standard candle) measurement of $H_0$, as demonstrated following the discovery of the neutron star merger, GW170817. This measurement does not assume a cosmological model and is independent of a cosmic distance ladder. The first joint analysis of the GW signal from GW170817 and its EM localization led to a measurement of $H_0=74^{+16}_{-8}$ km/s/Mpc (median and symmetric $68\\%$ credible interval). In this analysis, the degeneracy in the GW signal between the source distance and the weakly constrained viewing angle dominated the $H_0$ measurement uncertainty. Recently, Mooley et al. (2018) obtained tight constraints on the viewing angle using high angular resolution imaging of the radio counterpart of GW170817. Here we obtain a significantly improved measurement $H_0=68.9^{+4.7}_{-4.6}$ km/s/Mpc by using these new radio observations, combined with the previous GW and EM data. We estimate that 15 more localized GW170817-like events (comparable signal-to-noise ratio, favorable orientation), having radio images and light curve data, will potentially bring resolution to the tension between the Planck and Cepheid-supernova measurements, as compared to 50-100 GW events without such data.

研究の動機と目的

• GW170817のジェットの電波観測による独立した視線角制約を活用し、ハッブル定数（H₀）の測定不確実性を低減すること。
• 重力波データと高分解能VLBI画像、および後光光曲線データを統合することで、H₀推定のための標準サイン法を改善すること。
• 将来のGW170817に類似た局所化可能なイベントに電波データを組み合わせることで、プランク測定とセフェイド-超新星測定の間にあるH₀の矛盾を解消できる可能性を評価すること。
• 重力波-電波連携解析におけるジェットモデル化と流体力学的効果の系統的不確実性を定量化すること。

提案手法

• 本分析では、GW170817の重力波信号から得られる距離（d）と視線角（θₘₛₗ）の2次元事後分布を、VLBIで測定された重心運動および後光光曲線からの独立したEM制約と組み合わせる。
• 顕著な超光速速度 βₐₚₚ = 4.1 ± 0.4 (d/41 Mpc) を用いて θₘₛₗ を制約し、βₐₚₚ ≈ 1/Γ および Γ ≈ 1/sin(δθ)（δθ = θₘₛₗ - θⱼ）と関係づける。
• d と θₘₛₗ のパラメータ空間を網羅的に探索するため、合成ジェットモデル（指数関数的ジェット（PLJ）およびガウスジェット（GJ））を用いたマルコフ連鎖モンテカルロ（MCMC）シミュレーションを実施する。
• 距離 d と視線角 θₘₛₗ について周辺化を行い、退避速度 vᵣ = H₀d + vₚ と、特異速度（⟨vₚ⟩ = 310 km/s、σᵥₚ = 150 km/s）に関する事前情報を取り入れた、結合尤度を計算する。
• H₀の事後分布は、d、vₚ、cosθₘₛₗ について統合することで導出され、尤度 p(H₀|d, vᵣ, vₚ) ∝ exp[−½((vᵣ − vₚ − H₀d)/σᵥᵣ)²] を用いる（σᵥᵣ = 72 km/s）。
• GW解析における高スピンおよび低スピン事前分布の両方を用いた比較により、結合モデルにおいて一貫したH₀値に収束することが示された。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 GW170817の超光速ジェット運動のVLBI観測は、重力波信号単体よりも視線角をより厳密に制約できるか？
• RQ2 重力波データとEMデータ（VLBIおよび光曲線）を統合することで、ハッブル定数測定の精度がどの程度向上するか？
• RQ3 合成ジェットモデル（PLJおよびGJ）は、流体力学的シミュレーションと比較して、推定されるH₀値にどの程度の影響を及ぼすか？
• RQ4 H₀の矛盾を解消するために、将来のGW170817に類似たイベントに電波データを組み合わせる必要がある予想される数はどれくらいか？
• RQ5 ジェット構造モデル化に起因する系統的不確実性は、最終的なH₀推定値にどのように伝播するか？

主な発見

• ハッブル定数は H₀ = 68.9⁺⁴.⁷₋⁴.⁶ km/s/Mpc と測定され、重力波単体の結果（74⁺¹⁶₋₈ km/s/Mpc）に比べ顕著な改善が達成された。
• 視線角は、PLJでは 0.29⁺⁰.⁰²₋₀.⁰¹ rad、GJでは 0.30⁺⁰.⁰²₋₀.⁰² rad と制約され、より厳密な制約により重力波距離測定の主な不確実性が低減された。
• 高スピンおよび低スピンのGW事前分布を用いた両方の解析で、一貫したH₀値が得られ、結合GW-EMフレームワークにおける事前仮定へのロバストネスが示された。
• 本結果は、表面輝度揺らぎ法（H₀ = 71.9 ± 7.1 km/s/Mpc）と整合的であり、その信頼性を支持する。
• 本研究では、H₀の矛盾を解消するためには、電波データを併用する場合、15件の追加の局所化可能なGW170817に類似イベントで十分であると推定された。一方、電波データなしでは50～100件が必要とされる。
• 合成モデル（約0.05 rad小さい中央値視線角）と流体力学的シミュレーションとの差は系統的不確実性として扱われ、ジェットモデル化の推論に与える影響を強調している。