[논문 리뷰] Cosmography with bright and Love sirens

Arnab Dhani, Ssohrab Borhanian외 2명|arXiv (Cornell University)|2022. 12. 26.

Pulsars and Gravitational Waves Research인용 수 9

한 줄 요약

이 논문은 이중 중성자별 병합에서 유도된 중력파 '밝은 사도'를 사용하여 우주론적 제약 조건을 조사하며, 전자기 대응체(예: 칼리노바, 감마선 폭발)와 병합 후 파형에서 유도된 조임력 러브 수치를 이용한 적색편이 측정 방법을 비교한다. 전자기 대응체 방법은 H₀의 백분율 이내 정밀도를 달성하고, Ωₘ의 퍼센트 수준 정밀도를 확보하는 반면, 대응체가 없는 방법은 다른 우주론적 파라미터에 대해 백분율 이내 정밀도를 제공하며, 병합 후 신호는 이러한 제약 조건에 거의 기여하지 않는다.

ABSTRACT

Precision cosmology is crucial to understand the different energy components in the Universe and their evolution through cosmic time. Gravitational wave sources are standard sirens that can accurately map out distances in the Universe. Together with the source redshift information, we can then probe the expansion history of the Universe. We explore the capabilities of various gravitational-wave detector networks to constrain different cosmological models while employing separate waveform models for inspiral and post-merger part of the gravitational wave signal from equal mass binary neutron stars. We consider two different avenues to measure the redshift of a gravitational-wave source: first, we examine an electromagnetic measurement of the redshift via either a kilonova or a gamma ray burst detection following a binary neutron star merger (the electromagnetic counterpart method); second, we estimate the redshift from the gravitational-wave signal itself from the adiabatic tides between the component stars characterized by the tidal Love number, to provide a second mass-scale and break the mass-redshift degeneracy (the counterpart-less method). We find that the electromagnetic counterpart method is better suited to measure the Hubble constant while the counterpart-less method places more stringent bounds on other cosmological parameters. In the era of next-generation gravitational-wave detector networks, both methods achieve sub-percent measurement of the Hubble constant $H_0$ after one year of observations. The dark matter energy density parameter $Ω_{ m M}$ in the $Λ$CDM model can be measured at percent-level precision using the counterpart method, whereas the counterpart-less method achieves sub-percent precision. We, however, do not find the postmerger signal to contribute significantly to these precision measurements.

연구 동기 및 목표

• 이중 중성자별 병합에서 유도된 중력파 '밝은 사도'를 사용하여 달성 가능한 우주론적 제약 조건을 평가하는 것.
• 전자기 대응체와 병합 후 파형에서 유도된 조임력 러브 수치를 이용한 적색편이 측정 기법의 성능을 비교하는 것.
• 병합 후 중력파 신호가 우주론적 파라미터 추정에 기여하는 정도를 평가하는 것.
• 향후 세대 검출기 네트워크에서 두 방법을 사용한 H₀ 및 Ωₘ 측정의 상대적 정밀도를 결정하는 것.
• 핵 물질 상태방정식(EoS)의 불확실성이 대응체가 없는 방법을 통한 적색편이 추정에 미치는 영향을 검토하는 것.

제안 방법

• 등질량 이중 중성자별의 접근기 및 병합 후 단계에 대해 별도의 파형 모델을 사용한다.
• 중력파에서의 거리 기반 빛의 세기와 칼리노바 또는 감마선 폭발 탐지에서의 적색편이를 조합하여 전자기 대응체 방법을 적용한다.
• 전자기 데이터 없이도 질량-적색편이 혼동을 깨는 데 사용되는 등온 조임력 변형도(러브 수치)를 이용해 대응체가 없는 방법을 적용한다.
• Soultanis 등의 분석적 병합 후 모델을 사용하여 총 네 개의 준정규 모드를 기반으로 병합 후 신호를 기술한다.
• 총 질량에 대한 병합 후 모드 주파수의 제곱형 적합을 수행한다: f_spiral, f_2-0, f_2+0.
• 고급 및 향후 세대 검출기 네트워크의 우주론적 파라미터 제약 조건을 예측하기 위해 피셔 행렬 분석을 수행한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 조임력 러브 수치 방법이 전자기 대응체 방법과 경쟁 가능한 우주론적 제약 조건을 제공할 수 있는가?
• RQ2 각 적색편이 측정 방법을 사용했을 때 H₀ 및 Ωₘ 측정의 상대적 정밀도는 어떠한가?
• RQ3 병합 후 중력파 신호는 우주론적 파라미터 추정에 얼마나 기여하는가?
• RQ4 핵 상태방정식(EoS)에 대한 사전 지식은 대응체가 없는 방법에서 적색편이 추정에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 향후 세대 검출기 시대에 어느 방법을 사용하더라도 H₀의 백분율 이내 정밀도를 달성할 수 있는가?

주요 결과

• 향후 세대 검출기로 1년간 관측한 후 전자기 대응체 방법은 허블 상수 H₀의 백분율 이내 정밀도를 확보한다.
• 대응체가 없는 방법은 ΛCDM 모델에서 어두운 물질 에너지 밀도 파라미터 Ωₘ의 백분율 이내 정밀도를 확보한다.
• 긴 지속시간과 복잡한 구조를 지닌 병합 후 신호는 우주론적 파라미터 제약 조건에 거의 영향을 주지 않는다.
• 허블 상수 H₀는 핵 상태방정식에 대한 사전 지식이 필요 없는 전자기 대응체 방법을 통해 가장 잘 측정된다.
• 대응체가 없는 방법은 조임력 변형도를 통해 질량-적색편이 혼동을 깨는 능력 덕분에 H₀ 이외의 우주론적 파라미터, 특히 Ωₘ에 대해 더 강력한 제약 조건을 제공한다.
• 이 연구는 근접한 사건들이 핵 상태방정식을 캘리브레이션할 수 있다고 가정하여, 먼 천체에 대한 우주론적 파라미터 추정에 미치는 영향을 최소화한다.