[논문 리뷰] A standard siren measurement of the Hubble constant using gravitational wave events from the first three LIGO/Virgo observing runs and the DESI Legacy Survey

A. Palmese, Clécio R. Bom외 2명|arXiv (Cornell University)|2021. 11. 11.

Pulsars and Gravitational Waves Research인용 수 8

한 줄 요약

이 논문은 LIGO/Virgo의 첫 세 번째 관측 런에서 얻은 8개의 어둠자물표준 소리 사건과 DESI 레이크리티 설문조사의 적색편이 데이터를 조합하여 허블 상수 $H_0$의 새로운 측정치를 제시한다. $H_0 = 79.8^{+19.1}_{-12.8}~\mathrm{km~{}s^{-1}~{}Mpc^{-1}}$ (68% HPD)로 보고하며, 깊은 은하 설문조사와 함께 사용되는 어둠자물표준 소리가 $H_0$에 대해 경쟁 가능한 제약 조건을 제공할 수 있음을 입증한다.

ABSTRACT

We present a new constraint on the Hubble constant $H_0$ using a sample of well-localized gravitational wave (GW) events detected during the first three LIGO/Virgo observing runs as dark standard sirens. In the case of dark standard sirens, a unique host galaxy is not identified, and the redshift information comes from the distribution of potential host galaxies. From the third LIGO/Virgo observing run detections, we add the asymmetric-mass binary black hole GW190412, the high-confidence GW candidates S191204r, S200129m, and S200311bg to the sample of dark standard sirens analyzed. Our sample contains the top $20\%$ (based on localization) GW events and candidates to date with significant coverage by the Dark Energy Spectroscopic Instrument (DESI) Legacy Survey. We combine the $H_0$ posterior for eight dark siren events, finding $H_0 = 79.8^{+19.1}_{-12.8}~{ m km~s^{-1}~Mpc^{-1}}$ ($68\%$ Highest Density Interval) for a prior in $H_0$ uniform between $[20,140]~{ m km~s^{-1}~Mpc^{-1}}$. This result shows that a combination of 8 well-localized dark sirens combined with an appropriate galaxy catalog is able to provide an $H_0$ constraint that is competitive ($\sim 20\%$ versus $18\%$ precision) with a single bright standard siren analysis (i.e. assuming the electromagnetic counterpart) using GW170817. When combining the posterior with that from GW170817, we obtain $H_0 = 72.77^{+11.0}_{-7.55}~{ m km~s^{-1}~Mpc^{-1}}$. This result is broadly consistent with recent $H_0$ estimates from both the Cosmic Microwave Background and Supernovae.

연구 동기 및 목표

• 중력파 표준 소리로 독립적인 $H_0$ 측정치를 제공하여 허블 상수 긴장을 해결한다.
• 광전자 반사가 필요한 밝은 표준 소리의 희귀성에 기인한 제약 조건을 극복하기 위해 어둠자물표준 소리를 활용한다.
• DESI 레이크리티 설문조사에서 제공하는 고주기·깊은 광학적 적색편이 목록을 활용하여 연관되지 않은 중력파 사건의 적색편이 추론을 향상시킨다.
• 다수의 어둠자물표준 소리와 대규모 은하 설문조사의 조합이 단일 밝은 표준 소리 사건에 비해 경쟁 가능한 $H_0$ 제약 조건을 제공할 수 있음을 입증한다.
• 잠재적 주변 은하의 적색편이 분포를 통합하여 빈도주의 접근법을 사용한 통계적으로 일관된 $H_0$ 측정치를 제공한다.

제안 방법

• 첫 세 번째 LIGO/Virgo 관측 런에서 하늘 영역 국소화 면적이 가장 작은 상위 20%의 잘 국소화된 중력파 사건을 선별한다.
• DESI 레이크리티 설문조사의 광학적 적색편이 목록(PRLS)을 사용해 각 사건에 대한 잠재적 주변 은하를 식별하고, 각 후보에 대해 적색편이 확률을 할당한다.
• 베이지안 프레임워크를 적용하여 중력파 데이터로부터 거리로의 광도를 계산하고, 잠재적 주변 은하의 적색편이 분포를 통합하여 $H_0$를 추정한다.
• 비정보적 추론을 보장하기 위해 $[20, 140]~\mathrm{km~{}s^{-1}~{}Mpc^{-1}}$ 범위 내에서 $H_0$에 대해 균일한 사전 확률을 사용한다.
• 여덟 개의 어둠자물표준 소리 사건에서의 사후 분포를 조합하여 $H_0$에 대한 통합 제약 조건을 유도한다.
• 어둠자물표준 소리의 사후 분포를 GW170817의 밝은 표준 소리 사후 분포와 더하여 $H_0$ 추정치를 정밀화한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 어둠자물표준 소리와 깊은 광학 설문조사의 조합이 밝은 표준 소리에 비해 허블 상수에 대해 경쟁 가능한 제약 조건을 제공할 수 있는가?
• RQ2 첫 세 번째 LIGO/Virgo 관측 런에서의 어둠자물표준 소리만으로 $H_0$의 정밀도는 어느 정도 달성 가능한가?
• RQ3 은하 설문조사의 적색편이를 활용한 다수의 어둠자물표준 소리 사건이 $H_0$의 총 불확실성에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 결과로 도출된 $H_0$ 측정치는 CMB 및 국소 거리 사다리 추정치와 일치하는가?
• RQ5 전자기적 반사가 확인되지 않은 사건에 대해 어둠자물표준 소리의 통계적 프레임워크를 신뢰성 있게 적용할 수 있는가?

주요 결과

• 연구는 DESI 레이크리티 설문조사 자료를 사용해 8개의 어둠자물표준 소리 사건으로부터 $H_0 = 79.8^{+19.1}_{-12.8}~\mathrm{km~{}s^{-1}~{}Mpc^{-1}}$ (68% 최고 밀도 구간)의 제약 조건을 보고한다.
• 이 결과는 약 20%의 정밀도를 달성하며, GW170817의 단일 밝은 표준 소리 분석에서의 18% 정밀도와 경쟁 가능하다.
• GW170817의 밝은 표준 소리 사후 분포와 조합한 결과, 통합 $H_0$ 추정치는 $72.77^{+11.0}_{-7.55}~\mathrm{km~{}s^{-1}~{}Mpc^{-1}}$로 향상되어 불확실성이 약 30% 감소하였다.
• 어둠자물표준 소리 방법은 전자기적 반사가 필요 없이 DESI 레이크리티 설문조사의 고밀도 은하 목록을 활용하여 적색편이를 추론하는 데 성공했다.
• 측정치는 최근의 우주마이크파배경 및 초신성 기반 국소 거리 사다리 추정치와 광범위하게 일치한다.
• 분석은 어둠자물표준 소리가 개별 사건의 정밀도가 낮더라도 깊은 광학적 적색편이 설문조사와 조합될 경우 통계적으로 강력한 천체물리적 제약 조건을 제공할 수 있음을 입증한다.