[論文レビュー] Probing the large scale structure using gravitational-wave observations of binary black holes

A. Vijaykumar, M. V. S. Saketh+3 more|arXiv (Cornell University)|May 3, 2020

Pulsars and Gravitational Waves Research参考文献 56被引用数 12

ひとこと要約

本稿では、第3世代の検出器から得られる重力波（GW）観測を用いて、二重ブラックホール（BBH）のクラスタリングバイアスを測定することで、宇宙の大規模構造（LSS）を調べる手法を提案する。2点相関関数を用いてBBHイベントの位置分布を分析することで、5〜10年間の観測によってバイアス因子を推定可能であることを示し、電波（EM）データに依存しない、BBHの天体物理学的環境およびダークマターハローまたは銀河タイプとの関連を独立して探る手段を提供する。

ABSTRACT

Third generation gravitational-wave (GW) detectors are expected to detect a large number of binary black holes (BBHs) to large redshifts, opening up an independent probe of the large scale structure using their clustering. This probe will be complementary to the probes using galaxy clustering -- GW events could be observed up to very large redshifts ($z \sim 10$) although the source localization will be much poorer at large distances ($\sim$ tens of square degrees). We explore the possibility of probing the large scale structure from the spatial distribution of the observed BBH population, using their two-point (auto)correlation function. We find that we can estimate the bias factor of population of BBH (up to $z \sim 0.7$) with a few years of observations with these detectors. Our method relies solely on the source-location posteriors obtained from the GW events and does not require any information from electromagnetic observations. This will help in identifying the type of galaxies that host the BBH population, thus shedding light on their origins.

研究の動機と目的

• 電波（EM）データに依存せずに、重力波（GW）観測のみを用いて宇宙の大規模構造（LSS）を調べる手法を開発すること。
• GWイベントの位置特定の事後分布を用いて、赤方偏移の関数としてBBH集団の大きなスケールバイアス因子を推定すること。
• 従来の銀河クラスタリング調査と補完する、独立した天体物理学的トレーサーをLSSに提供すること。
• GWデータのみに基づいて、BBHの環境要因（例えば銀河タイプやダークマターハロー質量）を制約する可能性を評価すること。
• 第3世代GW検出器が想定する現実的な位置特定の不確実性および赤方偏移分布のもとで、バイアス推定の統計的妥当性を評価すること。

提案手法

• 天の上におけるBBHイベント位置の2点（自己）相関関数を用いて、空間的クラスタリングを定量化する。
• ΛCDMモデル（Planck 2018パラメータを仮定）に従い、宇宙論的シミュレーションから得た赤方偏移と天の上での位置を用いて、合成BBHイベントカタログを作成する。
• ベイズ推論を、ネステッドサンプリングツール「dynesty」を用いて実行し、GWイベントの事後分布の空間的分布からバイアス因子 $ b_{\text{BBH}}(z) $ を推定する。
• 第3世代検出器（例：Einstein Telescope, Cosmic Explorer）が想定する現実的な誤差分布を用いて、源の位置特定ボリュームをモデル化する。$ z \sim 0.7 $ における中央値の位置特定精度は約1 deg²と仮定する。
• 1000個のシミュレートされたカタログを用いて、注入されたバイアス値（$ b = 0, 1.2, 1.5, 2.0 $）の回復精度とランダム分布との有意性をテストすることで、手法の妥当性を検証する。
• 仮定されたΛCDM宇宙論を用いて、距離の事後分布を共動体積および赤方偏移に変換し、相関解析のための赤方偏移ビン化を可能にする。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 電波対応物がなくても、GWイベントの空間的分布のみからBBH集団の大規模構造バイアスを推定できるか？
• RQ2 第3世代GW検出器が $ b_{\text{BBH}}(z) $ を統計的に有意に測定できる最小観測時間はどのくらいか？
• RQ3 現実的な位置特定の不確実性および赤方偏移分布のもとで、GWイベントの位置特定からバイアス因子はどの程度正確に回復できるか？
• RQ4 回復されたバイアス $ b_{\text{BBH}}(z) $ は、BBHの天体物理学的起源（例えば宿主銀河タイプやダークマターハロー質量）をどの程度明らかにするか？
• RQ5 GWベースのバイアス測定は、光学的銀河調査による従来のEMベースのバイアス測定と比較して、精度と補完性の面でどの程度異なるか？

主な発見

• 第3世代検出器からの数年間のGW観測で、バイアス因子 $ b_{\text{BBH}} $ が推定可能であり、赤方偏移 $ z \sim 0.7 $ まで有意に測定可能である。
• シミュレートされたカタログにおいて、注入されたバイアス値（$ b = 1.2, 1.5, 2.0 $）が、スタックされた事後分布が真の値の周辺にピークを持つ形で正常に回復された。
• サンプリングおよび位置特定ボリュームの不確実性に対しても、バイアス推定は頑健であり、有意性テストによりランダム（非クラスタリング）分布（$ b = 0 $）と明確に区別された。
• 本手法は、大規模構造の独立的かつEMフリーな探査を可能にし、銀河タイプやダークマターハロー質量といったBBHの宿主環境の制約が可能である。
• GWベースのバイアス推定の統計的精度は、光学的銀河調査に比べて弱いが、物質分布の背後に存在する新たな補完的トレーサーを提供する。
• 結果は仮定されたΛCDM宇宙論に強く依存している。今後の研究では、宇宙論的パラメータのマージナライゼーションを用いたモデルに依存しないアプローチを検討する予定である。