[論文レビュー] First measurement of the Hubble parameter from bright binary black hole GW190521

Suvodip Mukherjee, Archisman Ghosh+7 more|arXiv (Cornell University)|Sep 29, 2020

Pulsars and Gravitational Waves Research参考文献 9被引用数 36

ひとこと要約

この論文は、明るいBBHイベント GW190521 と候補EM対応 ZTF19abanrhr を用いて H0 を測定し、Omega_m および w0 を制約する。GW距離とEM赤方偏移を組み合わせ、さらに GW170817 と VLBI傾斜情報を用いて H0 を更新する。

ABSTRACT

The Zwicky Transient Facility (ZTF) reported the event "ZTF19abanrhr" as a candidate electromagnetic (EM) counterpart at a redshift $z=0.438$ to the gravitational wave (GW) emission from the binary black hole merger GW190521. Assuming that ZTF19abanrhr is the {\it bona fide} EM counterpart to GW190521, and using the GW luminosity distance estimate from three different waveforms NRSur7dq4, SEOBNRv4PHM, and IMRPhenomPv3HM, we report a measurement of the Hubble constant $H_0= 50.4_{-19.5}^{+28.1}$ km/s/Mpc, $ 62.2_{-19.7}^{+29.5}$ km/s/Mpc, and $ 43.1_{-11.4}^{+24.6}$ km/s/Mpc (median along with $68\%$ credible interval) respectively after marginalizing over matter density $Ω_m$ (or dark energy equation of state $w_0$) assuming the flat LCDM (or wCDM) model. Combining our results with the binary neutron star event GW170817 with its redshift measurement alone, as well as with its inclination angle inferred from Very Large Baseline Interferometry (VLBI), we find $H_0= 67.6_{-4.2}^{+4.3}$ km/s/Mpc, $Ω_m= 0.47_{-0.27}^{+0.34}$, and $w_0= -1.17_{-0.57}^{+0.68}$ (median along with $68\%$ credible interval) providing the most stringent measurement on $H_0$ and the first estimation on $Ω_m$ and $w_0$ from bright standard siren. In the future, $1.3\%$ measurement of $H_0=68$ km/s/Mpc and $28\%$ measurement of $w_0=-1$ is possible from about $200$ GW190521-like sources.

研究の動機と目的

• EM counterparts を持つ BBH 合体の重力波標準サイレンを用いて宇宙論パラメータを測定することを動機づけ、評価する。
• LCDM および wCDM モデルの下で、GW 光度距離と EM 赤方偏移データを組み合わせて、ベイズ推定により H0、Omega_m、および w0 を計算する。
• 複数の GW 波形と追加イベント（GW170817、VLBI 傾斜）を含めて宇宙論を制約することによる改善を評価する。
• 将来の BBH+EM 標準サイレンが宇宙論的制約をどの程度引き締め得るかを展望・予測する。

提案手法

• BN推定を用いて、GW 光度距離と EM 赤方偏移データから宇宙論パラメータ Theta_c を推定する。
• priors による d_l の周辺化と LCDM または wCDM モデルに応じた Omega_m または w0 の周辺化。
• 3 つのデータ集合 (D1, D2, D3) を、3 つの GW 波形（SEOBNRv4PHM, NRSur7dq4, IMRPhenomPv3HM）で分析。
• GW170817 と VLBI 傾斜を取り入れて H0 の推定を詳細化。
• 異なるモデル/データ組み合わせの下で H0、Omega_m、および w0 の後方分布を提示。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 EM 対応を持つ明るい BBH イベントは、標準サイレン法を用いてハッブル定数を制約できるか。
• RQ2 異なる GW 波形は GW190521+ZTF19abanrhr から推定される H0 および宇宙論パラメータにどのように影響するか。
• RQ3 GW170817 と VLBI 傾斜を含めることが結合宇宙論制約に与える影響は何か。
• RQ4 将来の GW190521 に類似するイベントで H0、Omega_m、および w0 においてどの程度の精度が達成できるか。
• RQ5 BBH 標準サイレンからの結果は、Planck または SH0ES の測定と不確かさの範囲で整合するか。

主な発見

• GW190521+ZTF19abanrhr からの H0 推定値は波形により異なり: 62.2+29.5-19.7, 50.4+28.1-19.5, および 43.1+24.6-11.4 km/s/Mpc (D1a, D1b, D1c)。
• GW170817 と組み合わせると NRSur7dq4 の下で D2b について H0 = 69.1-5.8+9.4 km/s/Mpc；VLBI 傾斜はさらに絞って H0 = 67.6+4.3-4.2 km/s/Mpc (D3b)。
• D3b からの結合制約は Omega_m = 0.47-0.27+0.34 および w0 = -1.17-0.57+0.68 を、これらのパラメータの最初の標準サイレン時代の制約として示す。
• 測定された H0 は Planck と SH0ES の間で約1.6 sigma の範囲で一致しており、本研究は明るい標準サイレンから Omega_m および w0 に関する初めての制約を提供する。
• 予測では ~200 件の GW190521 に類似する源で EM 対応を伴う場合、H0 の精度は約 1.3%、w0 の精度は約 28% となる。
• この分析は、EM 対応を持つ明るい BBH 合体が高赤方偏移まで宇宙論を探る潜在能力を示している。