[論文レビュー] Determining the Hubble constant from gravitational wave observations of merging compact binaries

S. Nissanke, D. E. Holz+4 more|arXiv (Cornell University)|Jul 10, 2013

Pulsars and Gravitational Waves Research参考文献 14被引用数 26

ひとこと要約

本稿では、中性子星連星合体に伴う重力波（GW）観測と電磁気的対応現象（例えば、短時間ガンマ線バーストやキリノヴァ）を組み合わせ、'標準サイン'として用いることで、ハッブル定数を直接測定する手法を提案している。重力波波形から得られる絶対的距離と電磁気信号からの赤方偏移を用いることで、15件のGW-EM連携イベントで$H_0$を5%の精度で測定可能であり、30件のビーム化されたイベントでは1%未満の精度が達成可能である。これは、距離階段法に依存しない、宇宙論に依存しない代替手法を提供する。

ABSTRACT

Recent observations have accumulated compelling evidence that some short gamma-ray bursts (SGRBs) are associated with the mergers of neutron star (NS) binaries. This would indicate that the SGRB event is associated with a gravitational-wave (GW) signal corresponding to the final inspiral of the compact binary. In addition, the radioactive decay of elements produced in NS binary mergers may result in transients visible in the optical and infrared with peak luminosities on hours-days timescales. Simultaneous observations of the inspiral GWs and signatures in the electromagnetic band may allow us to directly and independently determine both the luminosity distance and redshift to a binary. These standard sirens (the GW analog of standard candles) have the potential to provide an accurate measurement of the low-redshift Hubble flow. In addition, these systems are absolutely calibrated by general relativity, and therefore do not experience the same set of astrophysical systematics found in traditional standard candles, nor do the measurements rely on a distance ladder. We show that 15 observable GW and EM events should allow the Hubble constant to be measured with 5% precision using a network of detectors that includes advanced LIGO and Virgo. Measuring 30 beamed GW-SGRB events could constrain H_0 to better than 1%. When comparing to standard Gaussian likelihood analysis, we find that each event's non-Gaussian posterior in H_0 helps reduce the overall measurement errors in H_0 for an ensemble of NS binary mergers.

研究の動機と目的

• 連星合体の重力波と電磁気観測を統合した手法を用いて、ハッブル定数$H_0$を直接測定する方法を開発すること。
• 重力波-電磁気多メッセンジャーアイテムに基づく標準サイン技術を用いて、$H_0$がどの程度の精度で制約可能かを評価すること。
• 個々のイベントから得られる$H_0$の非ガウス的事後分布が、集合的測定精度に与える影響を評価すること。
• 先進的なLIGO–Virgoネットワークを用いて、$H_0$を1%の精度で測定するのに必要な観測可能なGW-EMイベントの数を特定すること。
• 宇宙論に依存しない距離階段法の代替手段を提供し、$H_0$測定における天体物理学的系差を低減すること。

提案手法

• 一般相対性理論を用いて、中性子星連星のアプローチ段階からの重力波信号をモデル化し、宇宙論的仮定に依存しない距離（レッドシフトを除く）を抽出すること。
• 短時間ガンマ線バーストやキリノヴァを含む電磁気的対応現象を用いて、源の赤方偏移を測定し、$H_0 = c z / d_L$によりハッブル定数を決定すること。
• GWから得られる距離とEMから得られる赤方偏移を組み合わせ、一般相対性理論でキャリブレーションされた標準サイン測定を構築し、従来の距離階段法の系差を回避すること。
• 個々のイベントにおける$H_0$の事後分布をシミュレートし、非ガウス的誤差分布を考慮した統計的結合によって、集合的精度を評価すること。
• 異なる合体率の仮定と検出器ネットワーク構成に基づいて、$H_0$の5%および1%の精度を達成するための観測可能イベント数を予測すること。
• パopulation合成モデルと観測された連星パulsarの頻度を用いて、現実的なイベント頻度と測定タイムスケールへの影響を推定すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 中性子星連星合体の重力波と電磁気観測を統合した場合、ハッブル定数はどの程度の精度で測定可能か？
• RQ2 $H_0$を1%の精度で測定するために必要な最小のマルチメッセンジャーアイテム数はどれくらいか？
• RQ3 個々のイベントから得られる$H_0$の非ガウス的事後分布が、集合的測定精度に与える影響は何か？
• RQ4 検出器ネットワークの感度と源のビーム化（例えば、GRBのビーム化）が、観測可能イベント数と測定精度に与える影響は何か？
• RQ5 標準サインは、距離階段法の系差を回避する宇宙論に依存しない$H_0$の測定を可能にするか？

主な発見

• 先進的LIGOとVirgoを含むネットワークでは、15件の観測可能なGW-EMイベントで、ハッブル定数を5%の精度で測定可能である。
• 30件のビーム化されたGW-SGRBイベントがあれば、$H_0$を1%未満の精度で制約可能であり、非常に競争力のある測定が可能となる。
• 個々のイベントから得られる$H_0$の非ガウス的事後分布は、集合的結合において全体の測定誤差を低減し、ガウス近似を上回る精度向上をもたらす。
• 1%の$H_0$測定に要する時間は、中性子星合体率の不確実性に強く依存しており、数か月から10年程度の範囲にあり、中央値として約1年が現実的である。
• 標準サインは、従来の手法とは根本的に異なる系差を有するため、ダークエネルギーの状態方程式のテストを含む、宇宙論モデルの検証に価値ある独立したプローブとなる。
• 1%の$H_0$測定と高精度のCMBデータを組み合わせることで、ダークエネルギーの状態方程式$w$を約10%の精度で制約可能となり、宇宙定数モデルの誤りを検証可能となる。