[논문 리뷰] Cosmology using advanced gravitational-wave detectors alone

Ilya Mandel, Stephen R. Taylor외 1명|arXiv (Cornell University)|2011. 08. 01.

Pulsars and Gravitational Waves Research참고 문헌 57인용 수 184

한 줄 요약

이 논문은 고급 LIGO/Virgo에서 검출한 이중 중성자별 병합으로부터의 중력파 신호를 표준 소리로 사용하여 전자기 대응체에 의존하지 않고 허블 상수와 중성자별 질량 분포를 측정하는 방법을 제안한다. 중성자별의 내재된 질량 분포가 좁다는 사실을 활용하여, 약 100건의 검출로 질량 분포의 너비가 ≤0.04 M⊙일 경우 H₀를 ±10% 이내로 제약할 수 있음을 보여주며, 중력파 데이터만으로도 천체물리학을 실현한다.

ABSTRACT

We investigate a novel approach to measuring the Hubble constant using gravitational-wave (GW) signals from compact binaries by exploiting the narrowness of the distribution of masses of the underlying neutron-star population. Gravitational-wave observations with a network of detectors will permit a direct, independent measurement of the distance to the source systems. If the redshift of the source is known, these inspiraling double-neutron-star binary systems can be used as standard sirens to extract cosmological information. Unfortunately, the redshift and the system chirp mass are degenerate in GW observations. Thus, most previous work has assumed that the source redshift is obtained from electromagnetic counterparts. In this paper, we explore what we can learn about the background cosmology and the mass distribution of neutron stars from the set of neutron-star (NS) mergers detected by such a network. We use a Bayesian formalism to analyze catalogs of NS-NS inspiral detections. We find that it is possible to constrain the Hubble constant, H_0, and the parameters of the NS mass function using gravitational-wave data alone, without relying on electromagnetic counterparts. Under reasonable assumptions, we will be able to determine H_0 to +/- 10% using ~100 observations, provided the Gaussian half-width of the underlying double NS mass distribution is less than 0.04 solar masses. The expected precision depends linearly on the intrinsic width of the NS mass function, but has only a weak dependence on H_0 near the default parameter values. Finally, we consider what happens if, for some fraction of our data catalog, we have an electromagnetically measured redshift. The detection, and cataloging, of these compact-object mergers will allow precision astronomy, and provide a determination of H_0 which is independent of the local distance scale.

연구 동기 및 목표

• 이중 중성자별 병합에서 유도된 중력파 데이터만을 사용하여 천체론적 파rameter를 측정하는 방법을 개발하는 것.
• 전자기적 적색편이 측정이 없이도 허블 상수를 제약할 수 있는지 여부를 규명하는 것.
• 내재된 중성자별 질량 분포의 너비가 천체론적 파rameter 추정에 미치는 영향을 평가하는 것.
• 중력파 카탈로그가 독립적인 천체론적 탐사 수 Mittel로 사용 가능한지 평가하는 것.

제안 방법

• 이중 중성자별 병합의 중력파 검출 카탈로그를 분석하기 위해 베이지안 체계를 사용한다.
• 중력파 신호로부터의 광도 거리와 적색편이된 치르프 질량을 주요 관측량으로 활용한다.
• 평균과 너비를 자유 매개변수로 하는 중성자별 질량 함수의 매개변수화 모델을 통합한다.
• 진짜 분포에서 벗어나지 않는 모델을 억제하기 위해 질량 분포 너비에 사전 확률을 도입한다.
• 주어진 천체론적 모델에서 광도 거리와 적색편이 사이의 거리-적색편이 관계를 맺는다.
• 정밀도를 정량화하기 위해 시뮬레이션된 카탈로그에 대한 파rameter 추정을 수행한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 전자기 대응체 없이도 이중 중성자별 병합의 중력파 데이터만으로 허블 상수를 측정할 수 있는가?
• RQ2 허블 상수 추정의 정밀도는 검출된 사건 수와 중성자별 질량 분포의 내재된 너비에 따라 어떻게 변화하는가?
• RQ3 실제 가정 하에 H₀의 ±10% 정밀도를 달성하기 위해 필요한 최소 검출 수는 얼마인가?
• RQ4 일부 사건에 대해 전자기 적색편이를 포함시키면 천체론적 제약이 어떻게 향상되는가?

주요 결과

• 내재된 중성자별 질량 분포의 가우시안 반폭이 ≤0.04 M⊙일 경우, 약 100건의 중력파 검출로 허블 상수를 ±10% 이내로 제약할 수 있다.
• H₀ 추정의 정밀도는 중성자별 질량 함수의 내재된 너비에 따라 선형적으로 변화하지만, 표준 천체론적 파rameter 근처에서는 진짜 H₀ 값에 대해 약한 의존성만 보인다.
• 이 방법은 전자기 적색편이 측정이 필요 없이 중력파 데이터만으로도 독립적인 천체론적 측정을 가능하게 한다.
• 소수의 사건에 전자기 적색편이 측정이 포함되어도 H₀ 및 질량 함수 제약의 정밀도가 크게 향상된다.
• 거리-적색편이 관계가 잘 모델링되어 있다면 천체론적 모델에 대한 불확실성에 대해 이 방법이 강인하다.
• 본 연구는 중력파 카탈로그가 고정밀도 H₀ 측정을 위한 독립적인 천체론적 탐사 수 Mittel로 기능할 수 있음을 입증한다.