[論文レビュー] Probing the large-scale structure of the universe through gravitational-wave observations

Xiaoyun Shao, Zhoujian Cao+2 more|arXiv (Cornell University)|Oct 17, 2021

Pulsars and Gravitational Waves Research参考文献 41被引用数 5

ひとこと要約

本稿では、第3世代の検出器からの重力波（GW）観測を用いて、二重ブラックホール（BBH）イベントの角度相関関数（ACF）を分析することで、宇宙の大規模構造を調査する手法を提案する。5000件のBBHイベントをシミュレートし、ACF測定値からバイアス係数を最小二乗法で回復する手法を適用した結果、10年間の観測後にはBBHバイアスが33%の精度で回復可能であることが示され、BBH形成およびダークマター分布を独立して研究するための新たな手法を提供する。

ABSTRACT

The improvements in the sensitivity of the gravitational wave (GW) network enable the detection of several large redshift GW sources by third-generation GW detectors. These advancements provide an independent method to probe the large-scale structure of the universe by using the clustering of the binary black holes. The black hole catalogs are complementary to the galaxy catalogs because of large redshifts of GW events, which may imply that binary black holes (BBHs) are a better choice than galaxies to probe the large-scale structure of the universe and cosmic evolution over a large redshift range. To probe the large-scale structure, we used the sky position of the binary black holes observed by third-generation GW detectors to calculate the angular correlation function (ACF) and the bias factor of the population of binary black holes. This method is also statistically significant as 5000 BBHs are simulated. Moreover, for the third-generation GW detectors, we found that the bias factor can be recovered to within 33$\%$ with an observational time of ten years. This method only depends on the GW source-location posteriors; hence, it can be an independent method to reveal the formation mechanisms and origin of the BBH mergers compared to the electromagnetic method.

研究の動機と目的

• 重力波（GW）観測による二重ブラックホール（BBH）合体を用いて、宇宙の大規模構造を調査する手法を開発すること。
• GW天文学における低精度な源位置特定の課題に対処するため、位置の不確実性が存在する中でも、角度相関関数（ACF）を用いて宇宙論的情報を抽出すること。
• シミュレートされたGWイベントカタログを用いてBBHのクラスタリングバイアスを推定し、この手法の統計的有意性を既存の手法と比較すること。
• 高赤方偏移（z ≤ 10）において、GWデータが銀河カタログと併用して宇宙構造をマッピングするための実現可能性を評価すること。
• 相関した位置誤差を考慮した第3世代GW検出器（例：ET-2CE）が、時間経過に伴いBBHバイアス係数をどの程度回復できるかを評価すること。

提案手法

• 赤方偏移 z = 0.3 における350 h⁻¹ Mpc 厚さの球殻上に、ガウス分布を用いて位置不確実性をモデル化した5000件のBBHイベントをシミュレートする。
• シミュレートされたBBHカタログから、観測された角度相関関数（ACF）をLandy-Szalay（LS）推定法を用いて計算し、安定な平均ACFを得るため10,000回の繰り返しを実施する。
• 物質場の50回の実現から1,000個のサブカタログを生成し、サブカタログ間の分散を用いてACFの統計的分散と誤差バーを推定する。
• LS推定法による回復されたACFを、右帰circa、赤緯および距離の相関誤差を考慮した理論的スメアーディングACFと比較する。
• 観測ACFを理論的スメアーディングACFに一致させるために最小二乗法を適用し、BBHバイアス係数 bBBH を推定する。
• ET-2CE検出器感度曲線を用いて、3年、5年、10年間の観測期間における検出可能なBBHイベント数および位置特定精度を決定し、性能を評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 GW源位置特定における大きな位置不確実性が存在する中でも、BBHイベントの角度相関関数（ACF）を用いて、二重ブラックホールのクラスタリングバイアスを回復できるか？
• RQ2 ET-2CEなどの第3世代GW検出器は、どの程度BBHイベントを正確に局所化できるのか。その精度で大規模構造のACF分析による調査が可能になるか？
• RQ3 GWデータのみを用いて、観測期間が3年、5年、10年と延長されるに従い、バイアス係数回復の精度がどのように向上するか？
• RQ4 3次元位置データを用いる2点相関関数法と比較して、ACFに基づくバイアス推定の性能はどの程度か？
• RQ5 GWベースのBBHカタログは、高赤方偏移において、銀河カタログと併せて大規模構造およびダークマター分布の補助的・独立的トレーサーとして機能できるか？

主な発見

• ET-2CE検出器を用いた3年間の観測後、本手法はバイアス係数を約52%の精度で回復できた。
• 5年間の観測後、バイアス係数の回復精度は約51%に向上した。
• 10年間の観測期間では、バイアス係数が33%の精度で回復可能であり、強力な統計的妥当性を示した。
• 右帰circa、赤緯および距離における相関誤差が存在する状況でも、本手法は有効に機能し、先行研究とは異なりこれらの誤差を無視しない。
• 5000件のGWイベントを用いた本手法は、3次元位置データを用いる2点相関関数法と同等の統計的性能を達成しており、大規模構造研究への実現可能性を確認した。
• 本研究は、BBHが高赤方偏移（z ≈ 10まで）にまで到達可能であるため、銀河カタログと比較して、宇宙構造およびダークマター分布を補助的かつ独立して調査するための新たなトレーサーであることを確認した。