[논문 리뷰] Cosmology with Love: Measuring the Hubble constant using neutron star universal relations

Deep Chatterjee, Abhishek Hegade K. R.외 5명|arXiv (Cornell University)|2021. 06. 11.

Pulsars and Gravitational Waves Research참고 문헌 66인용 수 50

한 줄 요약

이 논문은 전자기적 병렬 현상이 필요 없이 이진 중성자별 융합에서 유도된 중력파를 사용하여 허블 상수(H₀)를 측정하는 새로운 방법을 제안한다. 중력파 데이터에서 질량-적색편이 혼동을 제거하기 위해 상태방정식에 민감하지 않은 이중 러브 관계를 활용함으로써, 직접 적색편이 추정과 H₀ 추정이 가능해진다. LIGO 바이저의 시대에는 약 10%의 정확도로 O(10²)건의 사건을, 코스믹 익스플로러의 시대에는 약 2%의 정확도로 O(10³)건의 사건을 통해 달성할 수 있으며, 표준 사일런트 우주론에 대한 유망한 어둠의 사일런트 대안을 제공한다.

ABSTRACT

Gravitational-wave cosmology began in 2017 with the observation of the gravitational waves emitted in the merger of two neutron stars, and the coincident observation of the electromagnetic emission that followed. Although only a $30\%$ measurement of the Hubble constant was achieved, future observations may yield more precise measurements either through other coincident events or through cross correlation of gravitational-wave events with galaxy catalogs. Here, we implement a new way to measure the Hubble constant without an electromagnetic counterpart and through the use of the binary Love relations. These relations govern the tidal deformabilities of neutron stars in an equation-of-state insensitive way. Importantly, the Love relations depend on the component masses of the binary in the source frame. Since the gravitational-wave phase and amplitude depend on the chirp mass in the observer (and hence redshifted) frame, one can in principle combine the binary Love relations with the gravitational-wave data to directly measure the redshift, and thereby infer the value of the Hubble constant. We implement this approach in both real and synthetic data through a Bayesian parameter estimation study in a range of observing scenarios. We find that for the LIGO/Virgo/KAGRA design sensitivity era, this method results in a similar measurement accuracy of the Hubble constant to those of current-day, dark-siren measurements. For third generation detectors, this accuracy improves to $\lesssim 10\%$ when combining measurements from binary neutron star events in the LIGO Voyager era, and to $\lesssim 2\%$ in the Cosmic Explorer era.

연구 동기 및 목표

• 전자기적 병렬 현상이 없는 이진 중성자별 융합에서 유도된 중력파를 사용하여 천체거리-적색편이 측정 기법을 개발한다.
• 중성자별 상태방정식에 민감하지 않은 탄성변형 전개 계수 간의 보편적 관계를 이용하여 표준 사일런트 우주론에서의 질량-적색편이 혼동을 극복한다.
• 사전 관측으로부터 고정된 보편 계수 ¯λ(0)₀을 사용하여 다수의 사건을 통합함으로써 오직 중력파 데이터만으로 H₀ 추정을 가능하게 한다.
• LIGO/Virgo/KAGRA에서 코스믹 익스플로러에 이르기까지 다양한 검출기 감도 시대에 걸쳐 이 방법의 정밀도와 체계적 불확실성을 평가한다.

제안 방법

• 이 방법은 중성자별 이중 러브 관계(YY17)를 사용하여 탄성변형 전개 계수 ¯λ(0)₀과 ¯λ(k)₀ 간의 관계를 설정하며, 이는 중성자별 상태방정식에 민감하지 않다.
• ¯λ(0)₀은 LIGO/Virgo 및 NICER 제약 조건에 부합하는 상태방정식들을 기반으로 한 관계를 사용하여 GW170817 데이터에 대한 베이지안 매개변수 추정을 통해 측정된다.
• 미래의 사건들에 대해서는 고정된 ¯λ(0)₀ 값을 사용하여 중력파 위상에서 소스 기준 질량을 추론함으로써 적색편이-질량 혼동을 제거하고, 적색편이 및 H₀ 추정이 가능해진다.
• HLVKI, 바이저, 코스믹 익스플로러 등 다양한 검출기 감도 시대의 다수의 시뮬레이션된 이진 중성자별 사건 데이터를 통합하여 통계적 정밀도를 향상시킨다.
• 베이지안 추론을 전반적으로 사용하여 H₀의 사후 분포를 추정하며, 보편적 관계와 ¯λ(0)₀ 측정의 불확실성을 포함한다.
• ¯λ(0)₀−¯λ(k)₀ 관계에 대한 불완전한 지식과 ¯λ(0)₀ 측정의 체계적 불확실성을 정량화하여 최종 H₀ 정확도에 미치는 영향을 평가한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 전자기적 병렬 현상이 없이 보편적 관계를 사용하여 중력파만으로 허블 상수를 측정할 수 있는가?
• RQ2 다양한 세대의 중력파 검출기에서 이중 러브 관계를 사용하여 H₀를 얼마나 정밀하게 추정할 수 있는가?
• RQ3 보편적 관계와 ¯λ(0)₀ 측정의 체계적 불확실성은 H₀ 추론에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 미래의 검출기 네트워크에서 H₀ 정밀도를 10% 이내로 확보하기 위해 몇 건의 이진 중성자별 사건이 필요한가?
• RQ5 다수의 어둠의 사일런트 사건을 통합하면 진정한 값과 일치하는 수렴하는 H₀ 측정이 가능한가?

주요 결과

• LIGO/Virgo/KAGRA/인도 설계 감도 시대에는 현재의 어둠의 사일런트 측정과 유사한 정밀도로 H₀ 측정 정확도를 확보하며, 약 10%의 정밀도를 달성한다.
• LIGO 바이저 시대에는 O(10²)건의 이진 중성자별 사건을 통합함으로써 H₀ 불확실성을 약 10%로 감소시킨다.
• 코스믹 익스플로러 시대에는 O(10³)건의 사건을 통합함으로써 H₀ 측정 정밀도를 약 2%로 향상시킬 수 있다.
• 이 방법의 정확도는 보편적 관계와 ¯λ(0)₀ 측정의 체계적 불확실성에 의해 제한되며, 2% 이내 정밀도를 달성하려면 이를 제어해야 한다.
• 베이지안 매개변수 추정 프레임워크는 다수의 사건을 통합함으로써 진짜 H₀ 값을 성공적으로 회복하며, 다수의 사건에 걸쳐 방법의 수렴성을 입증한다.
• 전자기적 병렬 현상이 필요 없기 때문에 표준 사일런트 우주론에 대한 실현 가능한 대안을 제공하며, H₀ 측정의 강건성을 향상시킨다.