[論文レビュー] Cross-correlating dark sirens and galaxies: constraints on $H_0$ from GWTC-3 of LIGO-Virgo-KAGRA

Suvodip Mukherjee, Alex Krolewski+2 more|arXiv (Cornell University)|Mar 7, 2022

Astronomy and Astrophysical Research被引用数 4

ひとこと要約

本稿では、GWTC-3のダーク・シーレンと赤方偏移測定済みの銀河赤方偏移サーベイ（2MPZおよびWISE-SuperCOSMOS）の間に自己相関を適用し、電磁対応物のない状況下で赤方偏移を空間的クラスタリングによって推定することで、ハッブル定数 H₀ を制約する。限定的な局在精度と少ない源数にもかかわらず、8つの良好に局在化されたダーク・シーレンと GW170817 を組み合わせることで、H₀ = 75.4⁺¹¹₋₆ km/s/Mpc の結果が得られ、主に明るいシーレンが支配的である。ダーク・シーレンのみでは統計的限界のため有意な制約が得られない。

ABSTRACT

We apply the cross-correlation technique to infer the Hubble constant ($H_0$) of the Universe using gravitational wave (GW) sources without electromagnetic counterparts (dark sirens) from the third GW Transient Catalog (GWTC-3) and the photometric galaxy surveys 2MPZ and WISE-SuperCOSMOS, and combine these with the bright siren measurement of $H_0$ from GW170817. The posterior on $H_0$ with only dark sirens is uninformative due to the small number of well-localised GW sources. Using the eight well-localized dark sirens and the binary neutron star GW170817 with EM counterpart, we obtain a value of the Hubble constant $H_0= 75.4_{-6}^{+11}$ km/s/Mpc (median and 68.3$\%$ equal-tailed interval (ETI)) after marginalizing over the matter density and the GW bias parameters. This measurement is mostly driven by the bright siren measurement and any constraint from dark sirens is not statistically significant. In the future, with more well-localized GW events, the constraints on expansion history will improve.

研究の動機と目的

• 電磁対応物のないGWTC-3の重力波（GW）ダーク・シーレンを用いてハッブル定数 H₀ を制約すること。
• 空間的クラスタリングを用いてGW源の赤方偏移を推定するため、GW源と光度赤方偏移サーベイとの自己相関技術を開発・検証すること。
• 銀河サーベイの完全性や質量ギャップ閾値に関する仮定を避ける独立した H₀ 測定を提供すること。
• ダーク・シーレンのみの統計的パワーと GW170817 のような明るいシーレンとの組み合わせの比較を評価すること。
• 銀河カタログにおけるマスキング、サンプル選択、星の混入といった系統的不確実性が H₀ 推定に与える影響を定量化すること。

提案手法

• 球面調和分解を用いて、GW源マップと銀河赤方偏移カタログ（2MPZ、WSC）との間の角度自己相関スペクトルを構築する。
• 未知のGW赤方偏移分布、銀河バイアス、GWバイアスパラメータ bGW(z) = bGW(1 + z)^α を関数として、角度自己相関をモデル化する。
• ベイズフレームワークを用いて、宇宙論的パラメータ（H₀、Ωₘ）と余分なパラメータ（bGW、α）を推定し、赤方偏移およびバイアスの不確実性を周辺化する。
• 自己相関スペクトルの共分散行列に、サーベイマスク、ショットノイズ、スカイフレックス（fsky）を組み込む。
• スケールカット（10 < ℓ < 70）を適用し、SuperCOSMOSデータに見られるプレート効果などのシステムティックなテンプレートを含め、デゲネラシーを低減する。
• 空間的クラスタリングのないランダム化された銀河カタログを用いてパイプラインを検証し、H₀ に誤った制約をもたらさないことを確認した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 GWTC-3データを用いて、ダーク・シーレンと光度赤方偏移銀河との自己相関が、H₀ に統計的に有意な制約をもたらすか。
• RQ2 ダーク・シーレンからの H₀ 後騺分布は、GW170817 の明るいシーレンからの制約と組み合わせた場合にどのように異なるか。
• RQ3 銀河サーベイのシステムティック要因（星の混入、マスキング、スケールカット）が H₀ 推定に与える影響は何か。
• RQ4 GW源の赤方偏移分布やバイアスの進化に関する仮定にどれほど依存しているか。
• RQ5 自己相関技術が、PISN質量ギャップの下限に関する仮定を避けて、独立した H₀ 測定を可能にするか。

主な発見

• 良好に局在化されたGW源が少ないことと、広大なスカイ局在誤差があることから、ダーク・シーレンのみを用いた H₀ 後騺分布は情報を持たない。
• 8つの良好に局在化されたダーク・シーレンと GW170817 を組み合わせることで、H₀ = 75.4⁺¹¹₋₆ km/s/Mpc（中央値および68.3%等尾区間）が得られ、制約は主に明るいシーレンによって支配されている。
• 自己相関技術は、ペアインスタンススニファー質量ギャップの下限に関する仮定を必要とせず、H₀ 評価の補完的ルートを提供する。
• 星の混入やマスキングによる系統的不確実性は、銀河パワースペクトルの振幅にスケールに依存しないシフトをもたらすが、これはバイアスとデゲネレートしており、H₀ 推定に系統的誤差をもたらさない。
• ランダム化された銀河カタログを用いた検証により、H₀ に誤った制約が生じないことが確認され、パイプラインの堅牢性が裏付けられた。
• 将来的には、より良好に局在化されたGWイベントが増えることで、自己相関技術の統計的パワーが向上し、改善が期待される。