[논문 리뷰] Cosmology with LIGO/Virgo dark sirens: Hubble parameter and modified gravitational wave propagation

Andreas Finke, Stefano Foffa외 3명|arXiv (Cornell University)|2021. 01. 29.

Pulsars and Gravitational Waves Research참고 문헌 164인용 수 127

한 줄 요약

이 논문은 LIGO/Virgo의 '어둠의 소리'—전자기적 반응이 없는 중력파 사건—에서 우주론적 추론을 향상시키기 위해, 중력파 트리거와 은하 목록 간의 교차 상관 분석을 위한 향상된 통계적 방법을 도입한다. 어둠의 소리로만 얻은 H₀에 대한 가장 날카러운 제약 조건(H₀ = 67.3⁺²⁷.⁶₋₁₇.₉ km s⁻¹ Mpc⁻¹)을 달성하였으며, 수정된 중력파 전파에 대한 경쟁 가능한 제약 조건(Ξ₀ = 2.1⁺³.²₋₁.²)을 제공함으로써, 이 방법의 강건성과 향후 데이터량 증가에 따른 우주론적 제약 조건 확보 잠재력을 입증한다.

ABSTRACT

We present a detailed study of the methodology for correlating `dark sirens' (compact binaries coalescences without electromagnetic counterpart) with galaxy catalogs. We propose several improvements on the current state of the art, and we apply them to the GWTC-2 catalog of LIGO/Virgo gravitational wave (GW) detections, and the GLADE galaxy catalog, performing a detailed study of several sources of systematic errors that, with the expected increase in statistics, will eventually become the dominant limitation. We provide a measurement of $H_0$ from dark sirens alone, finding as the best result $H_0=67.3^{+27.6}_{-17.9}\,\,{ m km}\, { m s}^{-1}\, { m Mpc}^{-1}$ ($68\%$ c.l.) which is, currently, the most stringent constraint obtained using only dark sirens. Combining dark sirens with the counterpart for GW170817 we find $H_0= 72.2^{+13.9}_{-7.5} \,{ m km}\, { m s}^{-1}\, { m Mpc}^{-1}$. We also study modified GW propagation, which is a smoking gun of dark energy and modifications of gravity at cosmological scales, and we show that current observations of dark sirens already start to provide interesting limits. From dark sirens alone, our best result for the parameter $\Xi_0$ that measures deviations from GR (with $\Xi_0=1$ in GR) is $\Xi_0=2.1^{+3.2}_{-1.2}$. We finally discuss limits on modified GW propagation under the tentative identification of the flare ZTF19abanrhr as the electromagnetic counterpart of the binary black hole coalescence GW190521, in which case our most stringent result is $\Xi_0=1.8^{+0.9}_{-0.6}$. We release the publicly available code $ t{DarkSirensStat}$, which is available under open source license at \url{https://github.com/CosmoStatGW/DarkSirensStat}.

연구 동기 및 목표

• 어둠의 소리를 은하 목록과 연관짓는 데에 있어 체계적 오차를 줄이기 위해 우주론적 파rameter 추정의 통계적 방법론을 향상시키는 것.
• 전자기적 반응 없이 어둠의 소리만을 사용하여 허블 상수 H₀에 대한 가장 날카러운 제약 조건을 제공하는 것.
• 현재 어둠의 소리 데이터를 활용하여 일반 상대성 이론에서의 중력파 전파의 편차를 테스트하는 것.
• 다양한 목록 완전성 측정 방법과 은하 가중치 부여 기법이 우주론적 추론에 미치는 영향을 평가하는 것.
• 어둠의 소리 우주론 분석의 재현 가능성을 위해 오픈소스 코드(DarkSirensStat)를 공개하는 것.

제안 방법

• 중력파 데이터와 은하 목록 정보를 사용하여 H₀ 및 수정 중력 파rameter(Ξ₀)의 사후 확률을 계산하기 위해 계층적 베이지안 프레임워크를 개발한다.
• 관측 선택 효과를 더 잘 모델링하기 위해 마스크 완전성과 콘 완전성의 방향에 따라 달라지는 목록 완전성의 개념을 도입한다.
• 부족한 목록에서 누락된 은하를 보완하기 위해 새로운 보완 기법(균일 보완 및 곱셈 보완)을 제안하여 사전 정확도를 향상시킨다.
• 은하 분포와 탐지 가능성에 대응하기 위해 등급별 및 B-대역 등급 가중치를 사용하는 빛의 강도 가중 은하 사전을 적용하며, 완전성 제어를 위한 임계값 파rameter Pth를 설정한다.
• 실제 탐지 모델과 소스 파rameter 분포를 포함하여 몬테카를로 적분과 반분석 근사법을 사용해 정규화 요소 β(H₀)와 β(Ξ₀)를 계산한다.
• LIGO/Virgo의 GWTC-2 목록과 GLADE 은하 목록을 사용하여 H₀와 Ξ₀에 대한 동시 추론을 수행하며, 수정 중력에 대한 민감도를 확보한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 LIGO/Virgo의 GWTC-2 목록에서 어둠의 소리만을 사용하여 얻을 수 있는 허블 상수 H₀에 대한 가장 날카러운 제약 조건은 무엇인가요?
• RQ2 부분적인 은하 목록 처리 방법(예: 마스크 대비 콘 완전성, 균일 대비 곱셈 보완)이 추론된 H₀와 Ξ₀에 어떤 영향을 미치나요?
• RQ3 현재 어둠의 소리 데이터로는 수정된 중력파 전파에 대한 의미 있는 제약 조건을 이미 제공할 수 있을까요? 이는 어둠의 에너지 또는 수정 중력의 잠재적 징후일 수 있습니다.
• RQ4 은하의 빛의 강도 가중치(K-대역 대비 B-대역)와 완전성 임계값(Pth)이 우주론적 추론의 강건성과 정밀도에 어떤 영향을 미치나요?
• RQ5 은하 목록의 완전성 부족과 선택 효과로 인한 체계적 오차는 사건 통계 증가에 따라 어떻게 변화하며, 개선된 모델링으로 이를 완화할 수 있을까요?

주요 결과

• 이 연구는 어둠의 소리로만 얻은 H₀에 대한 가장 날카러운 제약 조건을 보고한다: H₀ = 67.3⁺²⁷.⁶₋₁₇.₉ km s⁻¹ Mpc⁻¹ (68% 신뢰 구간), 이는 이전의 어둠의 소리 분석에 비해 상당한 향상이다.
• GW170817의 전자기적 반응과 어둠의 소리를 결합하면 H₀ 제약 조건은 H₀ = 72.2⁺₁₃.⁹₋₇.₅ km s⁻¹ Mpc⁻¹로 향상되며, 다른 다중 메시징 결과와 일치한다.
• 연구는 어둠의 소리로만 얻은 수정된 중력파 전파에 대한 경쟁 가능한 제약 조건을 제공하며, Ξ₀ = 2.1⁺³.²₋₁.²를 도출하였다. 여기서 Ξ₀ = 1은 일반 상대성 이론을 의미한다.
• ZTF19abanrhr가 GW190521의 전자기적 반응으로 일시적으로 식별된 경우, 가장 엄격한 제약 조건은 Ξ₀ = 1.8⁺⁰.⁹₋₀.⁶이 되었으며, 이는 천체 물리적 척도에서 수정 중력에 대한 민감도를 보여준다.
• 은하 목록 완전성 측정 방법(마스크 대비 콘)과 보완 방법(균일 대비 곱셈)의 선택은 높은 완전성 임계값(Pth = 0.7)을 사용할 경우 최종 사후 확률에 거의 영향을 주지 않으며, 이는 방법의 강건성을 시사한다.
• 연구는 은하 목록의 완전성 부족과 선택 효과로 인한 체계적 오차가 통계 증가에 따라 지배적인 영향을 미칠 것이며, 제안된 개선 조치가 향후 어둠의 소리로 인한 고정밀 우주론에 필수적임을 입증한다.