[論文レビュー] A standard siren measurement of the Hubble constant using gravitational wave events from the first three LIGO/Virgo observing runs and the DESI Legacy Survey

A. Palmese, Clécio R. Bom+2 more|arXiv (Cornell University)|Nov 11, 2021

Pulsars and Gravitational Waves Research被引用数 8

ひとこと要約

この論文は、最初の3回のLIGO/Virgo観測ランから得られた8つの暗黒標準サイン、およびDESIレガシーサーベイの赤方偏移データを組み合わせることで、ハッブル定数 $H_0$ の新しい測定を提示している。68% HPDで $H_0 = 79.8^{+19.1}_{-12.8}~\mathrm{km~{}s^{-1}~{}Mpc^{-1}}$ が得られ、深いつながりのない銀河サーベイを用いた暗黒サインは $H_0$ の制約を競争的に得られることを示している。

ABSTRACT

We present a new constraint on the Hubble constant $H_0$ using a sample of well-localized gravitational wave (GW) events detected during the first three LIGO/Virgo observing runs as dark standard sirens. In the case of dark standard sirens, a unique host galaxy is not identified, and the redshift information comes from the distribution of potential host galaxies. From the third LIGO/Virgo observing run detections, we add the asymmetric-mass binary black hole GW190412, the high-confidence GW candidates S191204r, S200129m, and S200311bg to the sample of dark standard sirens analyzed. Our sample contains the top $20\%$ (based on localization) GW events and candidates to date with significant coverage by the Dark Energy Spectroscopic Instrument (DESI) Legacy Survey. We combine the $H_0$ posterior for eight dark siren events, finding $H_0 = 79.8^{+19.1}_{-12.8}~{ m km~s^{-1}~Mpc^{-1}}$ ($68\%$ Highest Density Interval) for a prior in $H_0$ uniform between $[20,140]~{ m km~s^{-1}~Mpc^{-1}}$. This result shows that a combination of 8 well-localized dark sirens combined with an appropriate galaxy catalog is able to provide an $H_0$ constraint that is competitive ($\sim 20\%$ versus $18\%$ precision) with a single bright standard siren analysis (i.e. assuming the electromagnetic counterpart) using GW170817. When combining the posterior with that from GW170817, we obtain $H_0 = 72.77^{+11.0}_{-7.55}~{ m km~s^{-1}~Mpc^{-1}}$. This result is broadly consistent with recent $H_0$ estimates from both the Cosmic Microwave Background and Supernovae.

研究の動機と目的

• 重力波標準サインを用いて $H_0$ の独立した測定を提供することで、ハッブル定数の緊張問題に取り組む。
• 電磁的対応物を必要としない暗黒標準サインを活用することで、希少な明るい標準サインの限界を克服する。
• DESIレガシーサーベイの高頻度で深い光度赤方偏移カタログを活用し、関連付けられていない重力波イベントの赤方偏移推定を改善する。
• 複数の暗黒サインと大規模銀河サーベイを組み合わせることで、単一の明るいサインイベントと比較して競争的な $H_0$ 制約を得られることを示す。
• 潜在的宿主銀河の赤方偏移分布を統合する頻度主義的手法を用いて、$H_0$ の強固で統計的に整合性のある測定を提供する。

提案手法

• 最初の3回のLIGO/Virgo観測ランから、天の位置局在領域が小さい上位20%の良好に局在化された重力波イベントを選択する。
• DESIレガシーサーベイの光度赤方偏移カタログ（PRLS）を用いて、各イベントの潜在的宿主銀河を特定し、各候補に対して赤方偏移確率を割り当てる。
• ベイズフレームワークを用いて重力波データから距離輝度を計算し、潜在的宿主の赤方偏移分布を統合することで $H_0$ を推定する。
• 非情報的推定を保証するため、$H_0$ に一様な事前分布を $[20, 140]~\mathrm{km~{}s^{-1}~{}Mpc^{-1}}$ の範囲に設定する。
• 8つの暗黒サインイベントの事後分布を統合し、$H_0$ の共同制約を導出する。
• さらに、GW170817の明るいサイン事後分布と暗黒サイン事後分布を組み合わせ、$H_0$ の推定値を精緻化する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 明るい標準サインと比較して、深いつながりのない銀河サーベイと組み合わせた暗黒標準サインは、ハッブル定数の制約を競争的に得られるか？
• RQ2 最初の3回のLIGO/Virgo観測ランからの暗黒標準サインのみを用いて、$H_0$ の精度はどの程度達成可能か？
• RQ3 銀河カタログの赤方偏移を用いた複数の暗黒サインイベントの組み合わせは、$H_0$ の全体的な不確実性にどのように影響するか？
• RQ4 得られた $H_0$ 測定値は、CMBと局所的距離ラダー推定値の両方と整合的か？
• RQ5 電磁的対応物が特定されていないイベントに対しても、暗黒サインの統計的フレームワークを信頼性高く適用できるか？

主な発見

• 本研究は、DESIレガシーサーベイを用いた8つの暗黒標準サインイベントから、68%最高密度区間で $H_0 = 79.8^{+19.1}_{-12.8}~\mathrm{km~{}s^{-1}~{}Mpc^{-1}}$ の制約を得た。
• この結果は約20%の精度を達成しており、GW170817の単一明るいサイン分析の18%の精度と競合する。
• GW170817の明るいサイン事後分布と組み合わせることで、共同 $H_0$ 推定値は $72.77^{+11.0}_{-7.55}~\mathrm{km~{}s^{-1}~{}Mpc^{-1}}$ に改善され、不確実性が約30%低減された。
• 暗黒サイン手法は、電磁的対応物を必要とせず、DESIレガシーサーベイの高密度銀河カタログを活用して赤方偏移を推定するのに成功した。
• 測定値は、宇宙マイクロ波背景と超新星を用いた局所的距離ラダー推定値の両方と広く整合的である。
• 分析により、1イベントあたりの精度が低いにもかかわらず、深いつながりのない光度赤方偏移サーベイと組み合わせることで、暗黒標準サインは集団的に強固な宇宙論的制約を提供できることを示した。