[論文レビュー] Cosmology using advanced gravitational-wave detectors alone

Ilya Mandel, Stephen R. Taylor+1 more|arXiv (Cornell University)|Aug 1, 2011

Pulsars and Gravitational Waves Research参考文献 57被引用数 184

ひとこと要約

本論文は、先進的LIGO/Virgoで検出された二重中性子星合体からの重力波信号を標準サインとして用い、電磁対応物がなくてもハッブル定数と中性子星質量関数を測定する手法を提案する。中性子星の固有質量分布が狭いため、約100件の検出で、質量分布幅が≤0.04 M⊙であれば、H₀を±10%の精度で制約できることを示しており、重力波データのみで宇宙論を実現可能である。

ABSTRACT

We investigate a novel approach to measuring the Hubble constant using gravitational-wave (GW) signals from compact binaries by exploiting the narrowness of the distribution of masses of the underlying neutron-star population. Gravitational-wave observations with a network of detectors will permit a direct, independent measurement of the distance to the source systems. If the redshift of the source is known, these inspiraling double-neutron-star binary systems can be used as standard sirens to extract cosmological information. Unfortunately, the redshift and the system chirp mass are degenerate in GW observations. Thus, most previous work has assumed that the source redshift is obtained from electromagnetic counterparts. In this paper, we explore what we can learn about the background cosmology and the mass distribution of neutron stars from the set of neutron-star (NS) mergers detected by such a network. We use a Bayesian formalism to analyze catalogs of NS-NS inspiral detections. We find that it is possible to constrain the Hubble constant, H_0, and the parameters of the NS mass function using gravitational-wave data alone, without relying on electromagnetic counterparts. Under reasonable assumptions, we will be able to determine H_0 to +/- 10% using ~100 observations, provided the Gaussian half-width of the underlying double NS mass distribution is less than 0.04 solar masses. The expected precision depends linearly on the intrinsic width of the NS mass function, but has only a weak dependence on H_0 near the default parameter values. Finally, we consider what happens if, for some fraction of our data catalog, we have an electromagnetically measured redshift. The detection, and cataloging, of these compact-object mergers will allow precision astronomy, and provide a determination of H_0 which is independent of the local distance scale.

研究の動機と目的

• 二重中性星合体からの重力波データのみを用いて、宇宙論的パラメータを測定する手法を開発すること。
• 電磁赤方偏移測定を一切用いずにハッブル定数を制約できるかを特定すること。
• 固有の中性子星質量分布幅が宇宙論的パラメータ推定に与える影響を評価すること。
• 重力波カタログを単独の宇宙論的プローブとして使用する可能性を評価すること。

提案手法

• 二重中性星のスパイラルからの重力波検出カタログを分析するためのベイジアン形式を用いる。
• 重力波信号からの距離（レッドシフト済み）チルプマスと明確距離を主観測量として利用する。
• 平均と幅を自由パラメータとするパラメトリックな中性子星質量関数モデルを組み込む。
• 真の分布から逸脱するモデルをペナルティとするために、質量分布幅に事前分布を課す。
• 与えられた宇宙論的モデルにおける距離-赤方偏移関係を用いて、明確距離と赤方偏移を結びつける。
• シミュレートされたカタログに対するパラメータ推定を実行し、H₀および質量関数パラメータの精度を定量化する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 電磁対応物がなくても、二重中性星合体からの重力波データのみでハッブル定数を測定可能か？
• RQ2 H₀推定の精度は、検出イベント数と中性子星質量関数の固有幅にどのように依存するか？
• RQ3 現実的な仮定のもとで、H₀の精度を±10%に達成するために必要な最小検出数は何か？
• RQ4 一部のイベントに対して電磁赤方偏移測定を組み込むと、宇宙論的制約の精度はどのように向上するか？

主な発見

• 中性子星質量分布のガウス的半幅が≤0.04 M⊙であれば、約100件の重力波検出でハッブル定数を±10%の精度で制約可能である。
• H₀推定の精度は、中性子星質量関数の固有幅に線形的に依存するが、標準宇宙論パラメータ付近では真のH₀値にほとんど依存しない。
• 本手法により、電磁赤方偏移測定を一切不要とし、重力波データのみで独立した宇宙論的測定が可能になる。
• わずか数パーセントのイベントに電磁赤方偏移測定が加わるだけでも、H₀および質量関数の制約精度が顕著に向上する。
• 距離-赤方偏移関係が適切にモデル化されていれば、宇宙論的モデルの不確実性に対しても本手法は頑健である。
• 本研究は、重力波カタログが高精度のH₀測定を可能とする単独の宇宙論的プローブとして機能可能であることを示している。