[論文レビュー] Using Gray Sirens to Resolve the Hubble-Lemaître Tension

Ish Gupta|arXiv (Cornell University)|Nov 30, 2022

Pulsars and Gravitational Waves Research被引用数 4

ひとこと要約

本論文は、重力波（GW）および電磁波（EM）対応体を用いたハッブル＝ラマイトル定数（$H_0$）の測定に、中性子星-ブラックホール（NSBH）合体——「グレイ・サイレンス」と呼ばれる——を二重機能を持つツールとして提案する。次世代の検出器、例えばボイジャー網を用いることで、5年以内に$H_0$の精度が2%未満に制限され、ハッブル・トランクの解消が可能となる。一方、宇宙探査機（Cosmic Explorer）では、NSBHグレイ・サイレンスのみを用いても、1%未満の精度で$H_0$を測定可能である。

ABSTRACT

The measurement of the Hubble-Lemaître constant $(H_0)$ from the cosmic microwave background and the Type IA supernovae are at odds with each other. One way to resolve this tension is to use an independent way to measure $H_0$. This can be accomplished by using gravitational-wave (GW) observations. Previous works have shown that with the onset of the next-generation of GW detector networks, it will be possible to constrain $H_0$ better than $2\%$ (which is enough to resolve the tension) with binary black hole systems, also called dark sirens. Bright sirens like binary neutron star systems can also help resolve the tension if both the GW and the following electromagnetic counterpart are detected. In this work, we assess the potential of using neutron star-black hole (NSBH) mergers to measure the Hubble-Lemaître constant, both as dark sirens as well as bright sirens, thus, assigning them the term gray sirens. We find that the Voyager network might be able to resolve the tension using NSBH mergers in an observation span of 5 years, whereas next-generation networks which include the Cosmic Explorer detectors and the Einstein Telescope will be able to measure the $H_0$ to sub-percent level.

研究の動機と目的

• 中性子星-ブラックホール（NSBH）合体が、ハッブル＝ラマイトル・トランクを解消するための独立した$H_0$距離指標としての可能性を評価すること。
• NSBHシステムを用いた$H_0$測定において、ダーク・サイレンス（統計的手法）とブライト・サイレンス（EM対応体検出）の両手法の評価を行うこと。
• 2%未満の精度で$H_0$を制限するための必要な観測時間と検出器感度を特定すること。
• 中性子星状態方程式（EOS）、集団モデル、合体率が$H_0$測定性能に与える影響を定量すること。

提案手法

• 本研究では、複数の検出器ネットワークを通じてNSBH重力波信号から得られる$H_0$測定精度を推定するためにフィッシャー情報行列（FIM）を用いる。
• ローカル合体率と中性子星状態方程式（ALF2、APR4、DD2）が異なる2つの集団シナリオ（Pop-1 および Pop-2）をモデル化し、その耐性を評価する。
• ブライト・サイレンス分析では、数値相対論のフィットを用いてキリノバ（KN）光曲線を生成し、ヴェラ・C・ルービン宇宙望遠鏡およびナンシー・グレース・ローマン宇宙望遠鏡による検出可能性を予測する。
• ダーク・サイレンス（天球位置特定＋銀河カタログ照合）とブライト・サイレンス（EM対応体検出）の両手法を統合し、$H_0$制限を推定する。
• HLVKI+、VK+HLIv（ボイジャー）、ECS（宇宙探査機）に、アインシュタイン・テレスコープを含む複数の検出器ネットワークを評価し、5年および10年間の観測期間を想定する。
• すべての集団モデル、EOS、検出器ネットワークの組み合わせについて、予想されるイベント発生率と$H_0$精度の上限を計算する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 NSBH合体は、重力波と電磁波データの両方を用いて、$H_0$測定のための効果的なスタンダード・サイレンスとして機能できるか？
• RQ2 次世代重力波ネットワークが、NSBHグレイ・サイレンスを用いてハッブル＝ラマイトル・トランクを解消するための最小観測時間はどのくらいか？
• RQ3 中性子星状態方程式がキリノバ対応体の検出可能性およびその後の$H_0$精度に与える影響はいかほどか？
• RQ4 ダーク・サイレンスとブライト・サイレンスの両手法が、NSBHシステムを用いた$H_0$推定において、どの程度補完的か？
• RQ5 将来の検出器ネットワーク、例えば宇宙探査機は、NSBH合体のみを用いても1%未満の$H_0$精度を達成できるか？

主な発見

• ボイジャー網（VK+HLIv）は、NSBHグレイ・サイレンスを用いて5年間の観測でハッブル＝ラマイトル・トランクを解消でき、$H_0$の精度が2%未満に達する。
• 宇宙探査機（ECS）網は、NSBH合体を用いて2年以内に$H_0$を1%未満の精度で測定可能であり、年間10～30件の高品質なグレイ・サイレンスイベントが検出される。
• APR4状態方程式では、HLVKI+は5年間でトランクを解消できないが、アインシュタイン・テレスコープまたは宇宙探査機検出器を備えたネットワークでは可能である。
• NSBHシステムは、ゴールデン・ダーク・サイレンスとしてもブライト・サイレンスとしても効果的であり、二重の能力を持つことから「グレイ・サイレンス」と呼ぶのが妥当である。
• 次世代ネットワーク（ECS）は、中性子星状態方程式の不確実性に対して頑健であり、$H_0$精度はゴールデン・ダーク・サイレンス測定が支配的である。
• 本研究では、ECSが年間10～30件のNSBHグレイ・サイレンスイベントを検出すると推定されており、そのうち1～3件は年間1件の例外的なブライト・サイレンスイベントとして、個別に$H_0$精度が2%未満に達する。