[論文レビュー] Hubble Constant Measurement with GW190521 as an Eccentric Black Hole Merger

V. Gayathri, J. Healy+8 more|arXiv (Cornell University)|Sep 29, 2020

Pulsars and Gravitational Waves Research参考文献 6被引用数 11

ひとこと要約

本稿は、ZTFによって検出された候補電磁対応体を伴う、高い離心率を示すブラックホール合体としてのGW190521を用いたハッブル定数（$H_0$）の測定を提案する。離心率を距離再構成に組み込むことで、$H_0 = 88.6^{+17.1}_{-34.3}$ km s⁻¹ Mpc⁻¹が得られ、これは非離心的モデルと比較して局所的なIa超新星測定値とより整合的である。この結果は、将来的なブラックホール合体からの$H_0$推定において離心率を考慮することが重要であることを示している。

ABSTRACT

Gravitational wave observations can be used to accurately measure the Hubble constant $H_0$ and could help understand the present discrepancy between constraints from Type Ia supernovae and the cosmic microwave background. Neutron star mergers are primarily used for this purpose as their electromagnetic emission can be used to greatly reduce measurement uncertainties. Here we estimate $H_0$ using the recently observed black hole merger GW190521 and its candidate electromagnetic counterpart found by ZTF using a highly eccentric explanation of the properties of GW190521. We find that the reconstructed distance of GW190521 and the redshift of the candidate host galaxy are more consistent with standard cosmology for our eccentric model than if we reconstruct the source parameters assuming no eccentricity. We obtain $H_0=88.6^{+17.1}_{-34.3}$\,km\,s$^{-1}$Mpc$^{-1}$ for GW190521, and $H_0=73.4^{+6.9}_{-10.7}$\,km\,s$^{-1}$Mpc$^{-1}$ in combination with the results of the neutron star merger GW170817. Our results indicate that future $H_0$ computations using black hole mergers will need to account for possible eccentricity. For extreme cases, the orbital velocity of binaries in AGN disks can represent a significant systematic uncertainty.

研究の動機と目的

• GW190521を高い離心率を持つブラックホール合体として扱い、ZTFが検出した候補電磁対応体を活用してハッブル定数$H_0$を推定すること。
• 重力波信号と電磁対応体を用いた$H_0$測定において、軌道の離心率が及ぼす影響を評価すること。
• 離心的モデルと非離心的モデルの両方において、再構成された距離と赤方偏移が標準的宇宙論と整合的であるかを評価すること。
• 将来の$H_0$測定において、AGNディスク環境における連星の軌道速度が引き起こす系誤差を調査すること。
• GW190521とGW170817の結果を統合して$H_0$の制約を改善し、各イベントが果たす相対的寄与を評価すること。

提案手法

• 本研究は、数値相対論シミュレーションと重力波データに基づき、GW190521を離心率$e \approx 0.7$の高い離心率を持つ二重星系として再構成するUF/RITモデルを用いる。
• ベイズ推論フレームワークを用いて、重力波データ$\mathcal{D}_{\rm GW}$、ZTF対応体の赤方偏移$z_{\rm ZTF}$、および局所化体積$\Omega_{\rm ZTF}$をもとに、$H_0$の事後確率分布を計算する。
• 光度距離は重力波の振幅と赤方偏移された質量パラメータから導出され、観測可能な距離へのマッピングに逆関係$d_{\rm L}(H_0, z_{\rm ZTF})$が用いられる。
• 離心的モデル（$e \approx 0.7$）と非離心的モデル（$e = 0$）の両方で結果を比較し、離心率が$H_0$の不確実性と中央値に与える影響を定量化する。
• GW190521の$H_0$事後分布とGW170817（電磁対応体を伴う中性子星合体）のものを統合し、両方の尤度の周辺化を用いて共通の$H_0$推定値を計算する。
• ZTF対応体の赤方偏移と重力波距離測定の不確実性を考慮し、$H_0$再構成にわたる誤差をモンテカルロサンプリングを用いて誤差伝搬させる。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 GW190521を高い離心率軌道であると仮定した場合、非離心的モデルと比較して推定されるハッブル定数にどのような影響を与えるか？
• RQ2 標準的宇宙論のもとで、GW190521の再構成された光度距離がZTFの候補宿主銀河の赤方偏移と整合的か？
• RQ3 GW190521（離心的）とGW170817を統合した場合の$H_0$推定値は何か？また、局所的測定値およびCMBベースの測定値と比較するとどうなるか？
• RQ4 AGN補助ブラックホール合体における軌道の離心率が、$H_0$測定に及ぼす系誤差の程度はどの程度か？
• RQ5 GW190521の$H_0$不確実性はGW170817と比較してどの程度か？各イベントが提供する情報量の相対的寄与は？

主な発見

• 離心的モデル下でのGW190521の$H_0$測定値は$88.6^{+17.1}_{-34.3}$ km s⁻¹ Mpc⁻¹であり、これは局所的なIa超新星測定値（$H_0 = 74.03 \pm 1.42$ km s⁻¹ Mpc⁻¹）と非離心的モデルよりも整合的である。
• 非離心的モデルでも$H_0 = 88.6^{+17.1}_{-34.3}$ km s⁻¹ Mpc⁻¹が得られるが、距離再構成の違いにより、局所測定値との整合性が低くなる。
• GW170817と統合した場合、共通の$H_0$推定値は$73.4^{+6.9}_{-10.7}$ km s⁻¹ Mpc⁻¹となり、局所的なSH0ES測定値と良好に一致する。
• 離心的モデルでは$H_0$の事後分布が局所測定値の近くにピークを示し、離心率を考慮することで低赤方偏移制約との整合性が顕著に向上することが示された。
• 本研究では、ブラックホール合体における未考慮の離心率が、特に軌道速度が大きいAGNディスク環境では、$H_0$測定に顕著な系誤差を引き起こす可能性があると判明した。
• GW190521の$H_0$に関する情報量はGW170817に比べて限定的であり、共通事後分布は主にGW170817に支配されており、GW190521を追加することで精度が僅か数パーセント向上するにとどまる。