[論文レビュー] Prospects for measuring the Hubble constant and dark energy using gravitational-wave dark sirens with neutron star tidal deformation

Shang-Jie Jin, Tian-Nuo Li+2 more|arXiv (Cornell University)|Feb 24, 2022

Pulsars and Gravitational Waves Research被引用数 5

ひとこと要約

本論文は、第三世代重力波検出器（3G）が、電磁的対応物のない二つの中性子星合体からの重力波信号（ダーク・シレン）を用いて、中性子星の潮汐変形を活用することで赤方偏移を推定し、正確な宇宙論を実現可能であることを示している。3年間の観測と中性子星の状態方程式が完全に既知である条件下で、ET2CEネットワークはハッブル定数に対して0.15%の精度、ダークエネルギーの状態方程式に対して0.95%の精度を達成する。これはハッブル・テンション問題の解決とダークエネルギーの特徴付けに画期的な解決策を提供する。

ABSTRACT

Using the measurements of tidal deformation in the binary neutron star (BNS) coalescences can obtain the information of redshifts of gravitational wave (GW) sources, and thus actually the cosmic expansion history can be investigated using solely such GW dark sirens. To do this, the key is to get a large number of accurate GW data, which can be achieved with the third-generation (3G) GW detectors. Here we wish to offer an answer to the question of whether the Hubble constant and the equation of state (EoS) of dark energy can be precisely measured using solely GW dark sirens. We find that in the era of 3G GW detectors ${\cal O}(10^5-10^6)$ dark siren data (with the NS tidal measurements) could be obtained in three-year observation if the EoS of NS is perfectly known, and thus using only dark sirens can actually achieve the precision cosmology. Based on a network of 3G detectors, we obtain the constraint precisions of $0.15\%$ and $0.95\%$ for the Hubble constant $H_0$ and the constant EoS of dark energy $w$, respectively; for a two-parameter EoS parametrization of dark energy, the precision of $w_0$ is $2.04\%$ and the error of $w_a$ is 0.13. We conclude that 3G GW detectors would lead to breakthroughs in solving the Hubble tension and revealing the nature of dark energy provided that the EoS of NS is perfectly known.

研究の動機と目的

• ハッブル定数とダークエネルギーの状態方程式が、電磁的対応物のない重力波によるダーク・シレンのみを用いて正確に測定可能かどうかを調査すること。
• 地上に設置された第三世代（3G）重力波検出器（例：Cosmic Explorer, Einstein Telescope）が、電磁的対応物が存在しない状況下で、宇宙論的潜在能力を果たすかを評価すること。
• 中性子星の潮汐変形の測定が赤方偏移推定および宇宙膨張歴史再構築に与える影響を評価すること。
• 単一の重力波ダーク・シレンを用いた正確な宇宙論を達成するための必要なデータ量と検出器感度を特定すること。
• 従来のプローブ（CMB、BAO、超新星など）からの宇宙論的制約と、ダーク・シレンからの制約を比較すること。

提案手法

• 3年間の観測期間を想定し、3G検出器ネットワーク（ET、CE、2CE、ET2CE）を用いて、二つの中性子星合体からの重力波信号をシミュレートする。
• 波形に潮汐変形効果を組み込み、電磁的対応物がなくても距離-赤方偏移関係を再構築できるようにする。
• 中性子星の状態方程式（EoS）を完全に既知であると仮定し、潮汐測定の宇宙論的測定可能性を孤立して評価する。
• フィッシャー行列解析を実施し、$H_0$、$w$、$w_0$、$w_a$ の宇宙論的パラメータの制約を予測する。
• 既存の宇宙論的プローブ（例：Planck、Euclid、CMB-S4、Pantheon）と比較して、競争力のある精度を達成できるかを評価する。
• 平坦な$\Lambda$CDMモデルと$w_0w_a$ CDMモデルを用いて、異なるパrametrization下でのダークエネルギーの制約をテストする。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 第三世代検出器からの重力波ダーク・シレンのみを用いて、ハッブル定数を1%未満の精度で測定可能か？
• RQ2 二つの中性子星合体信号における潮汐変形を用いて、ダークエネルギーの状態方程式を1%未満の精度で制約可能か？
• RQ3 検出器ネットワーク構成（例：ET2CE）が、宇宙論的パラメータ推定の精度に与える影響は何か？
• RQ4 中性子星の状態方程式が完全に既知であると仮定した場合、正確な宇宙論を達成するために必要なダーク・シレンイベント数はどの程度か？
• RQ5 ダーク・シレンからの宇宙論的制約は、CMB、BAO、超新星データの統合結果と比較してどの程度か？

主な発見

• 3年間の観測と中性子星の状態方程式が完全に既知である場合、3G検出器は潮汐測定を伴う$\mathcal{O}(10^5 - 10^6)$件のダーク・シレンイベントを収集可能である。
• ET2CEネットワークはハッブル定数$H_0$に対して0.15%の精度を達成し、正確な宇宙論の基準に近い。
• 一定のダークエネルギー状態方程式$w$に対して、ET2CEネットワークでは0.95%の制約精度に達する。
• 2パラメータの$w_0w_a$ CDMモデルにおいて、ET2CEネットワークは$\sigma(w_0) = 2.04\%$および$\sigma(w_a) = 0.126$を達成し、Planck TT,TE,EE+lowE+BAO+Pantheonデータを上回る性能を示す。
• ET2CEネットワークの$w_0$および$w_a$に対する制約は、楽観的なEuclidやCMB-S4の組み合わせと同等またはそれ以上である。
• 単一のET検出器でも$\sigma(w) = 0.034$を達成でき、最新のPlanck制約と同等の精度であり、ダーク・シレン単体でも強力な宇宙論的潜在能力を示している。