[論文レビュー] Testing the nature of gravitational wave propagation using dark sirens and galaxy catalogues

Anson Chen, R. Gray+1 more|arXiv (Cornell University)|Sep 7, 2023

Pulsars and Gravitational Waves Research参考文献 84被引用数 5

ひとこと要約

本論文は、電磁対応を持たない重力波イベント（ダーク・シレンズ）を用いて、一般相対性理論からのパラメータ化されたずれを重力波伝播に関してテストするため、gwcosmoコードを拡張した。銀河カタログとコンパクト物体の質量分布を組み合わせることで、46件のGWTC-3イベントに応用し、$H_0$ と修正重力パラメータの連続的制約を得た。今後のデータにおいて重力のテストに、ダーク・シレンズが強固なツールであることが示された。

ABSTRACT

The dark sirens method enables us to use gravitational wave events without electromagnetic counterparts as tools for cosmology and tests of gravity. Furthermore, the dark sirens analysis code gwcosmo can now robustly account for information coming from both galaxy catalogues and the compact object mass distribution. We present here an extension of the gwcosmo code and methodology to constrain parameterized deviations from General Relativity that affect the propagation of gravitational waves. We show results of our analysis using data from the GWTC-3 gravitational wave catalogues, in preparation for application to the O4 observing run. After testing our pipelines using the First Two Years mock data set, we reanalyse 46 events from GWTC-3, and combine the posterior for BBH and NSBH sampling results for the first time. We obtain joint constraints on H0 and parameterized deviations from General Relativity in the Power Law + Peak BBH population model. With increased galaxy catalogue support in the future, our work sets the stage for dark sirens to become a powerful tool for testing gravity.

研究の動機と目的

• 電磁対応を持たない重力波イベント（ダーク・シレンズ）を用いて、修正重力理論をテストする手法を開発すること。
• 階層ベイズフレームワークにおいて、銀河カタログの赤方偏移事前分布とコンパクト物体の質量分布情報を組み合わせることで、宇宙論的推論を改善すること。
• gwcosmoコードを拡張し、ダーク・シレンズ解析において銀河カタログデータと集団モデルの制約を安定して取り入れること。
• 近い将来のO4観測期間のデータに備えて、モックデータを用いたパイプラインの検証とGWTC-3イベントの再分析を行うこと。
• 光度距離-赤方偏移関係における一般相対性理論からのパラメータ化されたずれと$H_0$ の連続的制約を可能にすること。

提案手法

• GLADE+銀河カタログからの赤方偏移事前分布と重力波データを階層ベイズフレームワークで統合する。
• 源フレームにおけるコンパクト物体の質量分布を組み込み、$(1+z)$ スケーリングに起因する観測（検出器フレーム）での質量シフトから赤方偏移を推定する。
• 光度距離-赤方偏移関係を変更する3つのパラメータ化された修正重力モデル（$\Xi_0$、$\gamma$、$n$）を適用する。
• 46件のBBHおよびNSBHイベント（GWTC-3）に対して、マルコフ連鎖モンテカルロ法を用いて、宇宙論的および重力パラメータの連続事後分布を計算する。
• 実際のGWTC-3イベントの再分析の前に、パイプラインの妥当性を確認するため、最初の2年間のモックデータセットを用いて検証する。
• BBHおよびNSBHイベントの事後サンプルを初めて統合し、$H_0$ と重力パラメータの連続的制約を強化する。

Figure 1 : GW luminosity distances in the three modified gravity models analysed in this paper compared to GR. We fix $n=1.91$ in the $(\Xi_{0},n)$ parameterization, and $R_{c}=100$ Mpc in the extra-dimension model.

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 電磁対応を持たない重力波伝播における一般相対性理論からのずれを、ダーク・シレンズを用いて制約できるか？
• RQ2 銀河カタログの赤方偏移事前分布とコンパクト物体の質量分布が、$H_0$ と修正重力パラメータの制約をどのように共同で改善するか？
• RQ3 46件のGWTC-3イベントを用いて、$H_0$ とパラメータ化された重力のずれ（例：$\Xi_0$、$\gamma$、$n$）の連続的制約はどのようなものか？
• RQ4 銀河カタログ情報と集団モデル情報の両方を含めることで、従来の手法と比較して不確実性がどのように低減されるか？
• RQ5 異なるパラメータ化された光度距離の修正が、推定される事後分布に与える影響は何か？

主な発見

• 拡張されたgwcosmoパイプラインは、GWTC-3の46件のダーク・シレンズイベントを用いて、$H_0$ と一般相対性理論からのパラメータ化されたずれを成功裏に制約した。
• 連続的事後分布では、$H_0$ と$\Xi_0$、$\gamma$ と$\Xi_0$、$\mu_g$ と$\sigma_g$、$m_{\rm min}^{\rm BH}$ と$\sigma_m$ の間で顕著なデゲネラシーが観察された。
• $\Xi_0$ の増加に伴い、赤方偏移事後分布が顕著にシフトするイベントでは、$\Xi_0$ の尤度にピークが現れ、修正重力への感受性が示された。
• $\Xi_0$ の変化に対して赤方偏移事後分布のシフトが最小限のイベントでは、尤度は事前分布に支配され、単調に増加し、感受性が弱いことが示された。
• 銀河カタログ情報と質量分布モデリングを組み合わせることで、明るいシレンズイベントへの依存を減らし、$H_0$ の制約が安定した。
• 今後の質量分布、合体率、銀河カタログの改善に適応可能なフレームワークであり、重力のより精密なテストが可能になる。

Figure 2 : The normalized posterior probability distribution for $\Xi_{0}$ for individual events (black) and the combined one (red). The blue vertical line labels $\Xi_{0}=1$ recovery of GR.