[論文レビュー] Cosmology with Love: Measuring the Hubble constant using neutron star universal relations

Deep Chatterjee, Abhishek Hegade K. R.+5 more|arXiv (Cornell University)|Jun 11, 2021

Pulsars and Gravitational Waves Research参考文献 66被引用数 50

ひとこと要約

本稿では、電磁対応物を必要とせずに、連星中性子星合体からの重力波を用いてハッブル定数（H₀）を測定する新規手法を提案する。重力波データにおける質量-赤方偏移デゲネラシーを解消するために、状態方程式に依存しない連星ラブ関係を活用することで、直接的に赤方偏移を推定可能となり、H₀の推定が可能となる。LIGO Voyager時代では約100件のイベントで約10%の精度が達成され、Cosmic Explorer時代では約1,000件のイベントで約2%の精度が得られ、標準的サインヤー宇宙論の代替手段として有望である。

ABSTRACT

Gravitational-wave cosmology began in 2017 with the observation of the gravitational waves emitted in the merger of two neutron stars, and the coincident observation of the electromagnetic emission that followed. Although only a $30\%$ measurement of the Hubble constant was achieved, future observations may yield more precise measurements either through other coincident events or through cross correlation of gravitational-wave events with galaxy catalogs. Here, we implement a new way to measure the Hubble constant without an electromagnetic counterpart and through the use of the binary Love relations. These relations govern the tidal deformabilities of neutron stars in an equation-of-state insensitive way. Importantly, the Love relations depend on the component masses of the binary in the source frame. Since the gravitational-wave phase and amplitude depend on the chirp mass in the observer (and hence redshifted) frame, one can in principle combine the binary Love relations with the gravitational-wave data to directly measure the redshift, and thereby infer the value of the Hubble constant. We implement this approach in both real and synthetic data through a Bayesian parameter estimation study in a range of observing scenarios. We find that for the LIGO/Virgo/KAGRA design sensitivity era, this method results in a similar measurement accuracy of the Hubble constant to those of current-day, dark-siren measurements. For third generation detectors, this accuracy improves to $\lesssim 10\%$ when combining measurements from binary neutron star events in the LIGO Voyager era, and to $\lesssim 2\%$ in the Cosmic Explorer era.

研究の動機と目的

• 電磁対応物を必要とせずに、連星中性子星合体からの重力波を用いた宇宙論的距離-赤方偏移測定技術を開発すること。
• 状態方程式に依存しない、潮汐歪み拡張係数間の普遍的関係を活用することで、標準的サインヤー宇宙論における質量-赤方偏移デゲネラシーを克服すること。
• 事前の観測から得られた普遍係数 ¯λ(0)₀ を固定し、複数のイベントを統合することで、重力波データのみを用いてH₀を推定すること。
• LIGO/Virgo/KAGRAからCosmic Explorerまでの異なる検出器感度時代における、この手法の精度および系統的不確実性を評価すること。

提案手法

• 本手法は、状態方程式に依存しない普遍的連星ラブ関係（YY17）を用い、潮汐歪み拡張係数 ¯λ(0)₀ と ¯λ(k)₀ の関係を確立する。
• 係数 ¯λ(0)₀ は、LIGO/VirgoとNICERの制約に一致する状態方程式から構築された関係を用いて、GW170817データに対するベイズ的パラメータ推定により測定される。
• 将来のイベントでは、固定された ¯λ(0)₀ 値を用いて重力波位相から源フレーム質量を推定し、赤方偏移-質量デゲネラシーを解消することで、赤方偏移およびH₀の推定が可能となる。
• HLVKI、Voyager、Cosmic Explorerの異なる検出器感度時代における複数のシミュレートされた連星中性子星イベントのデータを統合することで、統計的精度を向上させる。
• ベイズ的推論を用いて、H₀の事後分布を推定し、普遍的関係および ¯λ(0)₀ 測定の不確実性を組み込む。
• 普遍的関係および ¯λ(0)₀ 測定における不完全な知識に起因する系統的不確実性を定量化し、最終的なH₀精度に与える影響を評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 電磁対応物を必要とせず、普遍的関係を用いて重力波のみからハッブル定数を測定可能か？
• RQ2 異なる世代の重力波検出器における連星ラブ関係を用いたH₀推定の精度はどの程度か？
• RQ3 普遍的関係および ¯λ(0)₀ 測定における系統的不確実性がH₀推定に与える影響は何か？
• RQ4 将来の検出器ネットワークにおいて、H₀精度を10%未満に抑えるには何件の連星中性子星イベントが必要か？
• RQ5 複数のダーク・サインヤーイベントを統合することで、真の値と一致するH₀の収束的推定が可能か？

主な発見

• LIGO/Virgo/KAGRA/Indiaの設計感度時代では、現在のダーク・サインヤー測定と同等の精度でH₀を測定でき、精度は約10%である。
• LIGO Voyager時代では、約10²件の連星中性子星イベントを統合することで、H₀の不確実性を約10%にまで低減できる。
• Cosmic Explorer時代では、約10³件のイベントを統合することで、H₀の測定精度が約2%にまで向上する。
• この手法の精度は、普遍的関係および ¯λ(0)₀ 測定における系統的不確実性に制限されており、2%未満の精度を達成するためにはこれらを制御する必要がある。
• ベイズ的パラメータ推定フレームワークは、複数イベントの統合を通じて真のH₀値を的確に回復でき、複数イベントにわたる手法の収束性を示している。
• 電磁対応物の必要性を排除することで、H₀測定の堅牢性を高める観点から、標準的サインヤー宇宙論の実用的代替手段を提供する。