[論文レビュー] Mapping the cosmic expansion history from LIGO-Virgo-KAGRA in synergy with DESI and SPHEREx

Cristina Cigarrán Díaz, Suvodip Mukherjee|arXiv (Cornell University)|Jul 27, 2021

Pulsars and Gravitational Waves Research参考文献 146被引用数 59

ひとこと要約

本稿では、LIGO-Virgo-KAGRA (LVK) が検出する重力波 (GW) ソースと、スペクトロスコピック銀河サーベイ DESI および SPHEREx を併用した多メッセンジャー手法を提案し、宇宙の膨張歴史を測定する。暗いGWソース（電磁対応物なし）の3次元空間的分布と銀河赤方偏移サーベイをクロス相関させることで、5年間の観測でハッブル定数 H₀ について約1.5%の精度、ダークエネルギーの状態方程式 w₀ について約8%の精度を達成する。SPHEREx は広い天の川カバレッジを有するため、DESI よりも優れた性能を示す。

ABSTRACT

The measurement of the expansion history of the Universe from the redshift unknown gravitational wave (GW) sources (dark GW sources) detectable from the network of exttt{LIGO-Virgo-KAGRA} ( exttt{LVK}) detectors depends on the synergy with the galaxy surveys having accurate redshift measurements over a broad redshift range, large sky coverage, and detectability of fainter galaxies. In this work, we explore the possible synergy of the LVK with the spectroscopic galaxy surveys such as exttt{DESI} and exttt{SPHEREx} to measure the cosmological parameters which are related to the cosmic expansion history and the GW bias parameters. We show that by using the three-dimensional spatial cross-correlation between the dark GW sources and the spectroscopic galaxy samples, we can measure the value of Hubble constant with about $2\%$ and $1.5\%$ precision from exttt{LVK+DESI} and exttt{LVK+SPHEREx} respectively within the five years of observation time with $50\%$ duty-cycle. Similarly, the dark energy equation of state can be measured with about $10\%$ and $8\%$ precision from exttt{LVK+DESI} and exttt{LVK+SPHEREx} respectively. We find that due to the large sky coverage of exttt{SPHEREx} than exttt{DESI}, performance in constraining the cosmological parameters is better from the former than the latter. By combining exttt{Euclid} along with exttt{DESI} and exttt{SPHEREx}, a marginal gain in the measurability of the cosmological parameters is possible from the sources at high redshift ($z\geq 0.9$).

研究の動機と目的

• 電磁対応物のないダーク重力波源を用いた、宇宙論的パラメータを測定する堅牢な手法の開発。
• LIGO-Virgo-KAGRA (LVK) GW検出器と近い将来のスレクトロスコピックサーベイ DESI および SPHEREx の相乗効果の評価。
• GWソースと銀河赤方偏移分布のクロス相関を用いて、ハッブル定数 H₀ およびダークエネルギーの状態方程式 w₀ の制約を改善すること。
• サーベイの天の川カバレッジおよび赤方偏移深さが宇宙論的パラメータ推定に与える影響の評価。

提案手法

• LVKが検出したダークGWソースと、DESIおよびSPHERExの銀河サンプルとの間で3次元空間的クロス相関を用い、GWソースのクラスタリング赤方偏移を推定する。
• Bilbyパッケージを用いたベイズ的パrameter推定を適用し、距離の等方性距離や天の川位置を含むGW信号パラメータをモデル化。非ガウス的事後分布およびパラメータのデゲネラシーを考慮する。
• GWイベントの空間的分布と銀河の赤方偏移分布を結びつけるクロス相関尤度フレームワークを実装し、直接的なEM対応物がなくても赤方偏移推定が可能となる。
• 選択効果や、GWソースが潜在するダークマター分布を完璧に追跡しない可能性を考慮して、GWバイアスパラメータをモデル化する。
• 5年間の観測期間を想定し、50%のデューティーサイクルを採用。実際の合体率密度および検出器感度に基づくマックGWデータを用いる。
• GWバイアスパラメータの周辺化を実施し、Ωₘを固定した状態でH₀およびw₀に対する宇宙論的制約を分離する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 電磁対応物のないダークGWソースと銀河赤方偏移サーベイのみを用いて、ハッブル定数 H₀ を2%未満の精度で測定可能か？
• RQ2 銀河サーベイの天の川カバレッジおよび赤方偏移深さが、H₀ および w₀ の推定性能にどのように影響するか？
• RQ3 クロス相関技術は、電磁対応物が存在しないダークGWソースの赤方偏移を、信頼性高く推定可能か？
• RQ4 GW-銀河クロス相関による宇宙論的パラメータ制約において、SPHEREx が DESI を上回る相対的利点は何か？
• RQ5 波形モデル化および機器キャリブレーションのシステマティクスが、最終的な宇宙論的制約にどのように影響するか？

主な発見

• LVKとSPHERExの組み合わせは、50%のデューティーサイクルで5年間の観測後、ハッブル定数の測定精度が約1.5%に達する。
• LVK+DESIの組み合わせは、天の川カバレッジが小さいため、SPHERExよりわずかに精度が低い約2%のハッブル定数精度を達成する。
• ダークエネルギーの状態方程式 w₀ は、LVK+SPHERExで約8%の精度、LVK+DESIで約10%の精度で制約可能である。
• SPHEREx は、クロス相関関数の信号対雑音比を高めるために、天の川カバレッジが著しく広いため、宇宙論的パラメータ推定において DESI を上回る。
• DESI および SPHEREx に Euclid を追加すると、高赤方偏移源（z ≥ 0.9）のパラメータ制約にわずかな改善が見られ、将来的なマルチサーベイ連携の可能性を示唆する。
• 本手法により、GWバイアスパラメータおよびその赤方偏移依存性の直接測定が可能となり、GWソースがダークマター分布をどのように追跡するかを示す新しいプローブが得られる。