[論文レビュー] Impact of calibration uncertainties on Hubble constant measurements from gravitational-wave sources

Y. Huang, Hsin-Yu Chen+4 more|arXiv (Cornell University)|Apr 7, 2022

Pulsars and Gravitational Waves Research被引用数 5

ひとこと要約

本研究は、LIGO-Virgo検出器における機器キャリブレーション誤差（CE）が明るいサイレント（bright siren）を用いた重力波からのハッブル定数（$H_0$）測定に与える影響を調査する。設計感度での二重中性子星合体のシミュレーションにおいて、通常のCEに対して個々のイベントは依然として頑健であるが、極端で相関のあるCEを有する40個以上の源を組み合わせると、系統的バイアスが蓄積され、真の$H_0$が90%信用区間から除外される可能性があることが判明した。

ABSTRACT

Gravitational-wave (GW) detections of electromagnetically bright compact binary coalescences can provide an independent measurement of the Hubble constant $H_0$. In order to obtain a measurement that could help arbitrate the existing tension on $H_0$, one needs to fully understand any source of systematic biases for this approach. In this study, we aim to understand the impact of instrumental calibration errors (CEs) on the measurements of the luminosity distance, $D_L$, and the inferred $H_0$ value. We simulate binary neutron star mergers (BNSs), as detected by a network of Advanced LIGO and Advanced Virgo interferometers at their design sensitivity. We artificially add CEs equal to exceptionally large values experienced in LIGO-Virgo's third observing run (O3). We find that for individual BNSs at a network signal-to-noise ratio of 50, the systematic errors on $D_L$ - and hence $H_0$ - are still smaller than the statistical uncertainties. The biases become more significant when we combine multiple events to obtain a joint posterior on $H_0$. In the rather unrealistic case that the data around each detection is affected by the same CEs corresponding to the worst offender of O3, the true $H_0$ value would be excluded from the 90% credible interval after we combine $\sim$40 sources. If instead, 10% of the sources suffer from severe CEs, the true value of $H_0$ is included in the 90% credible interval even after 100 sources.

研究の動機と目的

• 重力波源からの距離非依存距離（$D_L$）およびハッブル定数（$H_0$）測定に、機器キャリブレーション誤差（CE）が与える影響を評価すること。
• CEが、明るいサイレント法を用いた$H_0$測定の精度と信頼性を損なう系統的バイアスを引き起こす可能性があるかどうかを評価すること。
• 複数の重力波イベントを統合する際、CEが真の$H_0$値を信用区間から除外する条件を特定すること。
• 極端なキャリブレーション誤差状況下で、異なるキャリブレーションモデリング手法（PhysiCalとSpline）の性能を比較すること。

提案手法

• 設計感度でのAdvanced LIGOおよびAdvanced Virgo干渉計のネットワークが検出する二重中性子星（BNS）合体のシミュレーション。
• LIGO-Virgoの第3期観測（O3）で観測された最悪ケースの値に一致する、意図的に大きなキャリブレーション誤差（CE）を注入。
• LALInferenceパッケージを用いて、シミュレートされたデータに対してベイズ的パrameter推定を実行し、異なるキャリブレーション誤差モデル下での$D_L$および$H_0$を推定。
• PhysiCal（物理に基づく）とSpline（データ駆動型）の2つのキャリブレーションモデリングアプローチの結果を比較し、系統的差を評価。
• 誤差のあるキャリブレーションと正しいキャリブレーションの下での事後分布を比較することで、$D_L$および$H_0$のバイアスを定量化。
• 事後分布を統合し、真の$H_0$値が信用区間内に含まれるかを評価することで、複数イベントにわたるCEの累積的影響を評価。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 極端なキャリブレーション誤差は、個々の二重中性子星（BNS）イベントの推定距離非依存距離（$D_L$）にどのように影響するか？
• RQ2 単一の重力波イベントを分析する際、キャリブレーション誤差がハッブル定数（$H_0$）測定にどの程度バイアスを引き起こすか？
• RQ3 相関のあるキャリブレーション誤差による系統的バイアスは、複数のBNSイベントを統合して$H_0$を制約する際、どのように蓄積されるか？
• RQ4 極端なキャリブレーション誤差下で、異なるキャリブレーションモデリング手法（例：PhysiCal対Spline）が$H_0$推定に与える影響は何か？
• RQ5 未考慮のキャリブレーション誤差によって、真の$H_0$値が90%信用区間から除外される条件は何か？

主な発見

• ネットワークの信号対雑音比が50の個々のBNSイベントでは、キャリブレーション誤差により$D_L$および$H_0$に系統的バイアスが生じるが、統計的不確実性より小さい。
• 同じ極端なキャリブレーション誤差（O3最悪ケース）を有する40個以上の源を統合した場合、真の$H_0$値が90%信用区間から除外される。
• 10%の源が深刻なキャリブレーション誤差を有する場合、100件のイベントを統合しても、真の$H_0$値は90%信用区間内に残る。
• PhysiCalとSplineのキャリブレーションモデリング手法間の$D_L$推定の差は、極端なキャリブレーション誤差によって生じるバイアスに比べて小さい。
• キャリブレーション外れのさまざまなシナリオにおいて、$D_L$のバイアスは-0.8%から+1.0%の範囲にあり、特に振幅誤差と位相誤差で最大のバイアスが生じる。
• 本研究は、現在のキャリブレーション誤差レベルでは個々の$H_0$測定にバイアスを引き起こす可能性は低いが、未モデル化かつイベント間で相関する場合、統合的$H_0$推定に対して顕著なリスクをもたらすことを示した。