[論文レビュー] Cosmography with bright and Love sirens

Arnab Dhani, Ssohrab Borhanian+2 more|arXiv (Cornell University)|Dec 26, 2022

Pulsars and Gravitational Waves Research被引用数 9

ひとこと要約

本稿は、二重中性子星合体からの重力波「明るいシレン」を用いた宇宙論的制約を調査し、電磁対応物（例：キロノーバ、ガンマ線バースト）と合体後の潮汐ラブ数を用いた赤方偏移測定法の2通りを比較する。電磁対応物法は、H₀の精度が1%未塔、Ωₘの精度が1%レベルに達するのに対し、電磁対応物のない方法では他の宇宙論的パラメータについても1%未塔の精度を達成する。また、合体後の信号はこれらの制約にほとんど寄与しないことが判明した。

ABSTRACT

Precision cosmology is crucial to understand the different energy components in the Universe and their evolution through cosmic time. Gravitational wave sources are standard sirens that can accurately map out distances in the Universe. Together with the source redshift information, we can then probe the expansion history of the Universe. We explore the capabilities of various gravitational-wave detector networks to constrain different cosmological models while employing separate waveform models for inspiral and post-merger part of the gravitational wave signal from equal mass binary neutron stars. We consider two different avenues to measure the redshift of a gravitational-wave source: first, we examine an electromagnetic measurement of the redshift via either a kilonova or a gamma ray burst detection following a binary neutron star merger (the electromagnetic counterpart method); second, we estimate the redshift from the gravitational-wave signal itself from the adiabatic tides between the component stars characterized by the tidal Love number, to provide a second mass-scale and break the mass-redshift degeneracy (the counterpart-less method). We find that the electromagnetic counterpart method is better suited to measure the Hubble constant while the counterpart-less method places more stringent bounds on other cosmological parameters. In the era of next-generation gravitational-wave detector networks, both methods achieve sub-percent measurement of the Hubble constant $H_0$ after one year of observations. The dark matter energy density parameter $Ω_{ m M}$ in the $Λ$CDM model can be measured at percent-level precision using the counterpart method, whereas the counterpart-less method achieves sub-percent precision. We, however, do not find the postmerger signal to contribute significantly to these precision measurements.

研究の動機と目的

• 二重中性子星合体からの重力波「明るいシレン」を用いた宇宙論的制約の達成可能性を評価すること。
• 電磁対応物と合体後波形からの潮汐ラブ数を用いた2通りの赤方偏移測定技術の性能を比較すること。
• 合体後重力波信号が宇宙論的パラメータ推定に与える寄与を評価すること。
• 次世代検出器ネットワークにおける両手法を用いたH₀およびΩₘ測定の相対的精度を特定すること。
• 核状態方程式（EoS）の不確実性が、電磁対応物のない手法による赤方偏移推定に与える影響を検討すること。

提案手法

• 等質量二重中性子星のアプローチ段階と合体後段階のための別個の波形モデルを用いる。
• 電磁対応物法を採用し、重力波からの距離距離とキロノーバまたはガンマ線バーストの検出による赤方偏移を組み合わせる。
• 電磁対応物のない手法では、断熱的潮汐変形度（ラブ数）を用いてEMデータなしに質量-赤方偏移デゲネラシーを解消する。
• ソルタニスらの解析的合体後モデル（4つの準正規モードを含む）を用いて合体後信号を記述する。
• 合体後モード周波数を全質量の関数として二次関数フィットする：f_spiral, f_2-0, f_2+0。
• ファイシャー行列解析を用いて、アドバンスドおよび次世代検出器ネットワークにおける宇宙論的パラメータ制約を予測する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 潮汐ラブ数法は、電磁対応物法と比較して競争力のある宇宙論的制約を提供できるか？
• RQ2 各赤方偏移決定手法を用いたH₀およびΩₘ測定の相対的精度はどの程度か？
• RQ3 合体後重力波信号は、宇宙論的パラメータ推定をどの程度改善するか？
• RQ4 核状態方程式（EoS）の事前知識が、電磁対応物のない手法における赤方偏移推定に与える影響はいかほどか？
• RQ5 次世代検出器時代において、いずれの手法でもH₀の1%未塔精度を達成できるか？

主な発見

• 次世代検出器を用いた1年間の観測で、電磁対応物法はHubble定数H₀の1%未塔精度を達成する。
• 電磁対応物のない手法は、ΛCDMモデルにおけるダークマターエネルギー密度パラメータΩₘの測定で1%未塔精度を達成する。
• 長期間にわたる複雑な構造を有するにもかかわらず、合体後信号は宇宙論的パラメータ制約にほとんど寄与しない。
• Hubble定数H₀は、核状態方程式の事前知識を必要としない電磁対応物法によって最もよく測定できる。
• 電磁対応物のない手法は、潮汐変形度による質量-赤方偏移デゲネラシーの解消能力のおかげで、H₀を除く宇宙論的パラメータ、特にΩₘに対してより緊密な制約を与える。
• 本研究では、近接イベントが核状態方程式をキャリブレーション可能と想定しており、遠方の源における宇宙論的パラメータ推定への影響を最小限に抑える。