[論文レビュー] Gravitational wave cosmology and astrophysics with large spectroscopic galaxy surveys

A. Palmese, Or Graur+13 more|arXiv (Cornell University)|Mar 12, 2019

Pulsars and Gravitational Waves Research参考文献 45被引用数 8

ひとこと要約

本論文は、DES I などの大規模な分光的銀河赤方偏移サーベイを活用し、重力波「標準サイン」を用いて、従来の手法とは独立して正確な宇宙論的測定を可能にする手法を提案している。特に、ハッブル定数 $H_0$ の独立的推定を目的としている。分光的赤方偏移と重力波データを組み合わせることで、今世紀中に $H_0$ の測定精度を $ abla 1 ext{-}2\%$ に高めることができ、現在の $H_0$ 矛盾を解消し、ダークエネルギーおよびコンパクト天体形成に関するモデルに依存しない制約を可能にする。

ABSTRACT

During the next decade, gravitational waves will be observed from hundreds of binary inspiral events. When the redshifts of the host galaxies are known, these events can be used as `standard sirens', sensitive to the expansion rate of the Universe. Measurements of the Hubble constant $H_0$ from standard sirens can be done independently of other cosmological probes, and events occurring at $z<0.1$ will allow us to infer $H_0$ independently of cosmological models. The next generation of spectroscopic galaxy surveys will play a crucial role in reducing systematic uncertainties in $H_0$ from standard sirens, particularly for the numerous `dark sirens' which do not have an electromagnetic counterpart. In combination with large spectroscopic data sets, standard sirens with an EM counterpart are expected to constrain $H_0$ to $\sim 1-2\%$ precision within the next decade. This is competitive with the best estimates of $H_0$ obtained to date and will help illuminate the current tension between existing measurements. Information on the galaxies that host the gravitational wave events will also shed light on the origin and evolution of compact object binaries.

研究の動機と目的

• CMB測定とローカルな距離レール測定の間の $H_0$ 矛盾を、重力波「標準サイン」を用いて解消すること。
• 特に電磁的対応物のない「ダーク・サイン」に対して、大規模銀河サーベイからの正確な分光的赤方偏移を活用することで、$H_0$ 評価における系統的不確実性を低減すること。
• 高赤方偏移（$z > 0.1$）での標準サインを、宇宙論的サーベイと組み合わせることで、ダークエネルギーを含む宇宙論的パラメータに対するモデルに依存しない制約を可能にすること。
• 分光的サーベイの銀河カタログと重力波合体の空間分布を相関させることで、コンパクト二重星形成のメカニズム（例：孤立的形成対比：動的形成）を理解を深めること。
• 将来的な重力波実験（例：LISA、ET、CE）を支援するため、宿主銀河の特定と宇宙論的推論を可能にする、深く広い範囲の銀河カタログを提供すること。

提案手法

• 大規模サーベイ（例：DES I BGS）の分光的赤方偏移を用いて、重力波の宿主銀河の赤方偏移 $z$ を特定し、$cz = H_0 D$ を用いて $H_0$ を正確に推定する。
• 電磁的対応物を伴う明るいサインに対して標準サイン法を適用し、重力波の振幅から距離 $D$ を導出し、分光的赤方偏移 $z$ を用いる。
• 重力波の位置特定領域内の銀河カタログを用いて、銀河密度場との相関を用いて赤方偏移を推定する統計的手法をダーク・サインに適用する。
• 高精度の光度赤方偏移と分光的赤方偏移を組み合わせることで、特にダーク・サインの統計的不確実性が $\sim10\%$ に近づく状況での系統的不確実性を低減する。
• 重力波合体カタログと分光的銀河サーベイを相関させ、二重ブラックホールの形成経路（例：孤立的形成対比：動的形成）を区別する。
• DES I などのサーベイから得られる銀河カタログを活用し、LISA や ET、CE からの将来的な重力波イベントの宿主銀河特定を可能にし、宇宙論的到達距離を $z \sim 1$ まで拡大する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 分光的赤方偏移が測定された重力波イベントからの標準サインは、CMB や標準キャンドル法とは独立して $H_0$ を測定可能か？
• RQ2 電磁的対応物が検出されないダーク・サインの $H_0$ 評価において、分光的銀河サーベイはどの程度系統的不確実性を低減できるか？
• RQ3 重力波合体の空間分布と銀河カタログの相関は、二重ブラックホールの形成経路を区別するためにどのように寄与するか？
• RQ4 近い赤方偏移（$z \lesssim 0.1$）の明るいサインを用いて、近い将来の分光的サーベイでどの程度の $H_0$ 精度が達成可能か？
• RQ5 高赤方偏移（$z > 0.1$）での標準サインを、宇宙論的サーベイと組み合わせることで、ダークエネルギーに対するモデルに依存しない制約が可能か？

主な発見

• 電磁的対応物を伴う標準サイン（明るいサイン）は、DES I などのサーベイの分光的赤方偏移を用いることで、今世紀中に $H_0$ を $ abla 1 ext{-}2\%$ の精度で制約可能である。
• 赤方偏移 $z \lesssim 0.1$ の範囲では、線形関係 $cz = H_0 D$ を用いることで、宇宙論的モデルに依存しない $H_0$ 測定が可能となる。
• 電磁的対応物のない重力波イベント（ダーク・サイン）は、$ abla 100$ 件の良好な位置特定が可能なイベントと光度赤方偏移を組み合わせることで、$ abla 5\%$ の統計的不確実性を達成可能であるが、系統的不確実性を $\sim10\%$ 未満に抑えるには分光的赤方偏移が不可欠である。
• 分光的赤方偏移は、特にダーク・サインの統計的不確実性が $ abla 10\%$ に近づく状況において、$H_0$ 評価における系統的不確実性を低減する上で極めて重要である。
• 重力波カタログと DES I に類似した銀河サーベイの相関は、空間的クラスタリングパターンの解析により、二重ブラックホールの形成経路を区別可能である。
• 大規模な分光的サーベイ（例：DES I）は、将来的な重力波実験（LISA、ET、CE）に不可欠な宿主銀河カタログを提供し、$z \sim 1$ まで宇宙論的推論を可能にする。