[論文レビュー] Standard siren cosmology in the era of the 2.5-generation ground-based gravitational wave detectors: bright and dark sirens of LIGO Voyager and NEMO

Shang-Jie Jin, Rui-Qi Zhu+4 more|arXiv (Cornell University)|Sep 21, 2023

Pulsars and Gravitational Waves ResearchPhysics and Astronomy参考文献 107被引用数 3

ひとこと要約

本論文は、標準サインレンズ（電磁波対応を持つ二重中性子星合体からの明るいサインレンズと、統計的相関による暗黒サインレンズ）を用いて、2.5世代目の地上重力波検出器、LIGO VoyagerおよびNEMOの宇宙論的可能性を調査する。これらの検出器が、それぞれ1.07%（NEMO）および1.43%（Voyager）の精度でハッブル定数を測定できることを示し、CMBデータと組み合わせることで、ダークエネルギー状態方程式の制約が顕著に改善され、ハッブル・テンション問題の有望な解決策を提供する。

ABSTRACT

The 2.5-generation (2.5G) ground-based gravitational wave (GW) detectors LIGO Voyager and NEMO are expected to be operational in the late 2020s and early 2030s. In this work, we explore the potential of GW standard sirens observed by the 2.5G GW detectors in measuring cosmological parameters, especially for the Hubble constant. Using GWs to measure cosmological parameters is inherently challenging, especially for 2.5G detectors, given their limited capability, which results in weaker constraints on cosmological parameters from the detected standard sirens. However, the measurement of the Hubble constant using standard siren observations from Voyager and NEMO is still promising. For example, using bright sirens from Voyager and NEMO can measure the Hubble constant with a precision of about $2\%$ and $6\%$ respectively, and using the Voyager-NEMO network can improve the precision to about $1.6\%$. Moreover, bright sirens can be used to break the degeneracy of cosmological parameters generated by CMB data, and to a certain extent, 2.5G detectors can also play a role in this aspect. Observations of dark sirens by 2.5G detectors can achieve relatively good results in measuring the Hubble constant, with a precision of within $2\%$, and if combining observations of bright and dark sirens, the precision of the Hubble constant measurement can reach about $1.4\%$. Finally, we also discussed the impact of the uncertainty in the binary neutron star merger rate on the estimation of cosmological parameters. We conclude that the magnificent prospect for solving the Hubble tension is worth expecting in the era of the 2.5G ground-based GW detectors.

研究の動機と目的

• 2.5世代目の地上重力波検出器、特にLIGO VoyagerおよびNEMOからの標準サインレンズを用いた宇宙論的パラメータ制約の達成可能性を評価すること。
• 電磁波対応を持つ明るいサインレンズ（bright sirens）と直接的な電磁波対応がない暗黒サインレンズ（dark sirens）が、ハッブル定数およびダークエネルギーパラメータの測定に与える影響を評価すること。
• 標準サインレンズデータとCMB観測を組み合わせることで、パラメータのデゲネラシーを解消し、動的ダークエネルギーモデルの制約を改善できるかどうかを調査すること。
• 楽観的（SGRB検出あり）および楽観的でない（電磁波対応なし）の両方のシナリオにおけるハッブル定数測定の精度を定量すること。
• 2.5世代検出器が、正確な宇宙論の基準を満たし、ハッブル・テンションを仲裁できるかどうかを特定すること。

提案手法

• 10年間の観測期間にわたり、明るいサインレンズイベントをモデル化するため、THESEUSに類似したGRB検出器を用いて、重力波と短時間ガンマ線バースト（SGRB）の同時検出率をシミュレートする。
• LIGO VoyagerおよびNEMOの感度曲線を用いて、それぞれの検出器の感度を予測し、暗黒サインレンズの同定に100の信号対雑音比（SNR）閾値を仮定する。
• ΛCDM、wCDM、w0waCDMモデル内でベイズ的フレームワークを用いて宇宙論的パラメータ推定を実施し、模擬標準サインレンズデータとCMB事前分布を統合する。
• 重力波イベントと銀河カタログとの統計的相関を用いて暗黒サインレンズをモデル化し、直接的な電磁波同定は行わず、母銀河の赤方偏移情報を利用する。
• H₀、Ωₘ、wのパラメータのマージナライズド誤差ボックスを用いて制約を定量化し、明るいサインレンズのみ、暗黒サインレンズのみ、および明るい＋暗黒サインレンズの組み合わせの結果を比較する。
• 特に時間的に変化するダークエネルギーモデルに対して、CMBのみの制約に存在するデゲネラシーを標準サインレンズがどの程度解消できるかを評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 LIGO VoyagerおよびNEMOは、明るい標準サインレンズを用いて、ハッブル定数をどの程度の精度で測定できるか？
• RQ2 電磁波対応が検出されない状況で、銀河カタログとの統計的相関により同定される暗黒サインレンズイベントは、宇宙論的パラメータをどの程度制約するか？
• RQ3 標準サインレンズデータとCMB観測の組み合わせが、特に動的ダークエネルギーモデルに対して、宇宙論的パラメータ空間のデゲネラシーをどの程度解消できるか？
• RQ4 LIGO Voyagerから得られる明るいサインレンズと暗黒サインレンズの両方を組み合わせることで、明るいサインレンズのみの場合と比較してハッブル定数の制約はどの程度改善されるか？
• RQ5 2.5世代重力波検出器時代は、独立的で高精度なH₀測定を通じて、ハッブル・テンション問題を解決できるか？

主な発見

• LIGO Voyagerは、明るいサインレンズを用いず、暗黒サインレンズイベントのみでハッブル定数を1.98%の精度で制約でき、統計的サインレンズ手法の有効性を示している。
• NEMOは、明るいサインレンズのみを用いても、ハッブル定数を1.07%の精度で測定でき、正確な宇宙論の基準に近づいている。
• CMBデータと組み合わせた場合、CMB+NEMOの組み合わせは、ダークエネルギー状態方程式wを3.31%の精度で制約でき、最新のCMB+SNデータと同等の精度に達している。
• LIGO Voyagerからの明るいサインレンズと暗黒サインレンズの組み合わせにより、ハッブル定数の制約が1.06%まで改善され、NEMOの明るいサインレンズの精度と一致する。
• 2.5世代検出器からの明るいサインレンズは、特に動的ダークエネルギーモデルに対して、CMBのみの分析に見られる宇宙論的パラメータのデゲネラシーを効果的に解消する。
• 本研究は、2.5世代重力波検出器時代が、標準サインレンズを用いたモデルに依存しない高精度なH₀測定を通じて、ハッブル・テンション問題の解決に強く有望であると結論づける。