[論文レビュー] Synergy between CSST galaxy survey and gravitational-wave observation: Inferring the Hubble constant from dark standard sirens

Ji-Yu Song, Ling-Feng Wang+5 more|arXiv (Cornell University)|Dec 1, 2022

Radio Astronomy Observations and Technology参考文献 122被引用数 6

ひとこと要約

本稿は、中国宇宙ステーション望遠鏡（CSST）の銀河赤方偏移調査と第3世代重力波（GW）検出器の連携を提案し、電磁対応を持たないダーク標準サインズ（GWイベント）を用いてハッブル定数（$H_0$）を測定する手法を検討する。CSSTの深さと高精度な光度的・分光的銀河カタログと、ET、CE1、ET2CEからのシミュレートされた5年間のGWデータを組み合わせることで、$H_0$が0.53%というサブパーセントの精度で制約可能であることが示され、宇宙論的距離測定が顕著に向上することが明らかになった。

ABSTRACT

Gravitational waves (GWs) from compact binary coalescences encode the absolute luminosity distances of GW sources. Once the redshifts of GW sources are known, one can use the distance-redshift relation to constrain cosmological parameters. One way to obtain the redshifts is to localize GW sources by GW observations and then use galaxy catalogs to determine redshifts from a statistical analysis of redshift information of the potential host galaxies, commonly referred to as the dark siren method. The third-generation (3G) GW detectors are planned to work in the 2030s and will observe numerous compact binary coalescences. Using these GW events as dark sirens requires high-quality galaxy catalogs from future sky survey projects. The China Space Station Telescope (CSST) will be launched in 2024 and will observe billions of galaxies within a 17500 deg$^2$ survey area with redshift up to $z\sim 4$, providing photometric and spectroscopic galaxy catalogs. In this work, we simulate the CSST galaxy catalogs and the 5-year GW data from the 3G GW detectors and combine them to infer the Hubble constant ($H_0$). Our results show that the measurement precision of $H_0$ could reach the sub-percent level, meeting the standard of precision cosmology. We conclude that the synergy between CSST and the 3G GW detectors is of great significance in measuring the Hubble constant.

研究の動機と目的

• ダーク標準サインズを用いた$H_0$の高精度測定に向け、CSSTの銀河調査と第3世代重力波検出器を統合する可能性を調査すること。
• CSSTの高頻度・深さのある光度的・分光的赤方偏移カタログが、GWイベントの宿主銀河同定の完全性と正確性をどのように向上させるかを評価すること。
• 重力波距離測定誤差、レンズ効果、特異速度の影響を含む現実的な観測条件下で、$H_0$の制約精度を定量化すること。
• ET2CEのようなネットワーク構成が単一検出器に比べて、どのように$H_0$測定精度を向上させるかを評価すること。

提案手法

• 赤方偏移分布まで$z \sim 4$の範囲で、銀河数密度と赤方偏移分布をシェクター関数でモデル化し、光度的および分光的赤方偏移を含むCSST銀河カタログをシミュレートした。
• GWTC-3のBBH源集団に基づき、ET、CE1、ET2CEの5年間のGWイベントカタログを生成し、天球位置の局在精度と距離誤差推定値を含んだ。
• フィッシャー情報行列（FIM）解析を用いて、光度距離（$d_{\rm L}$）および赤方偏移（$z$）の不確実性を含むパラメータ誤差を推定した。
• GWデータから得られる3次元局在領域を用い、模擬CSSTカタログ内で潜在的な宿主銀河を探索し、$d_{\rm L}$–$z$関係に基づいて$H_0$をベイズ推論で推定した。
• 機器ノイズ、重力レンズ効果、特異速度の誤差を、$d_{\rm L}$の不確実性予算に組み込み、特異速度誤差は$\Delta d_{\rm L}^{\rm pv}(z) = d_{\rm L}(z) \cdot \left[1 + \frac{c(1+z)^2}{H(z)d_{\rm L}(z)} \right] \cdot \frac{\sqrt{\langle v^2 \rangle}}{c}$とモデル化した。ここで$\sqrt{\langle v^2 \rangle} = 500\ \text{km s}^{-1}$を仮定した。
• $d_{\rm L}$–$z$関係に対するベイズ推論を実施し、$H_0$を制約した。検出器構成と赤方偏移カタログの品質の違いによる結果の比較を行った。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 CSSTと第3世代GW検出器の連携により、ダークサインズを用いてハッブル定数のサブパーセント精度での測定が可能になるか？
• RQ2 GLADE+のような既存のカタログと比較して、CSSTの銀河カタログの完全性と赤方偏移精度は、レンズ効果のないGWイベントの宿主銀河同定をどの程度向上させるか？
• RQ3 特異速度誤差は最終的な$H_0$の不確実性にどのような影響を及ぼし、宇宙論的制約の精度にどのように関与するか？
• RQ4 ET2CEのようなネットワーク構成は、局在性と宿主銀河同定の向上により、単一検出器に比べて$H_0$測定精度をどのように向上させるか？

主な発見

• ET2CEとCSSTの銀河カタログを組み合わせた最も楽観的な状況では、ハッブル定数が0.53%の精度で制約可能であり、これは精密宇宙論の基準を満たす。
• ET単体の場合、楽観的ケースで$H_0$は0.62%、慎重なケースで0.89%の精度に制約され、CE1はETに比べて約3.3%の精度向上を示した。
• ET2CEネットワークでは、楽観的ケースで0.53%、慎重なケースで0.71%の精度を達成し、CE1単体に比べて17.44%の改善効果を示した。
• 特異速度誤差を含めると$H_0$の精度が8%〜16%低下するが、最悪ケース（CE1の慎重なケース）でも精度は1.00%に保たれた。
• CSSTの光度的および分光的カタログは、それぞれGLADE+に比べて約100倍および10倍の銀河数を含んでおり、宿主銀河検出の完全性が顕著に向上した。
• CSSTの光度的赤方偏移カタログの平均赤方偏移不確実性は、GLADE+に比べて約40%低く、$d_{\rm L}$–$z$関係に基づく$H_0$測定精度の向上に直接寄与した。