[논문 리뷰] Cross-correlating dark sirens and galaxies: constraints on $H_0$ from GWTC-3 of LIGO-Virgo-KAGRA

Suvodip Mukherjee, Alex Krolewski외 2명|arXiv (Cornell University)|2022. 03. 07.

Astronomy and Astrophysical Research인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 GWTC-3의 어둠침 소리와 적색편이가 알려진 광학적 은하 조사(2MPZ 및 WISE-SuperCOSMOS) 간의 상관관계를 적용하여 허블 상수 H₀를 제약 조건으로 설정한다. 전자기적 대응체가 없는 상황에서 공간적 군집을 이용해 적색편이를 추론한다. 국소화가 제한되고 소스 수가 적은 상황에서도, 8개의 잘 국소화된 어둠침 소리와 GW170817을 조합하면 H₀ = 75.4⁺¹¹₋₆ km/s/Mpc를 얻게 되며, 이는 주로 밝은 소리에 의해 결정된다. 어둠침 소리만으로는 통계적 한계로 인해 유의미한 제약 조건을 제공하지 못한다.

ABSTRACT

We apply the cross-correlation technique to infer the Hubble constant ($H_0$) of the Universe using gravitational wave (GW) sources without electromagnetic counterparts (dark sirens) from the third GW Transient Catalog (GWTC-3) and the photometric galaxy surveys 2MPZ and WISE-SuperCOSMOS, and combine these with the bright siren measurement of $H_0$ from GW170817. The posterior on $H_0$ with only dark sirens is uninformative due to the small number of well-localised GW sources. Using the eight well-localized dark sirens and the binary neutron star GW170817 with EM counterpart, we obtain a value of the Hubble constant $H_0= 75.4_{-6}^{+11}$ km/s/Mpc (median and 68.3$\%$ equal-tailed interval (ETI)) after marginalizing over the matter density and the GW bias parameters. This measurement is mostly driven by the bright siren measurement and any constraint from dark sirens is not statistically significant. In the future, with more well-localized GW events, the constraints on expansion history will improve.

연구 동기 및 목표

• 전자기적 대응체 없이 GWTC-3의 중력파(중력파) 어둠침 소리를 사용하여 허블 상수 H₀를 제약 조건으로 설정하는 것.
• 공간 군집을 통해 중력파 소스 적색편이를 추론하기 위해 중력파 소스와 광학적 은하 조사 간의 상관관계 기법을 개발하고 검증하는 것.
• 은하 조사의 완전성 또는 질량 갭 임계값에 대한 가정을 피하는 독립적인 H₀ 측정을 제공하는 것.
• 어둠침 소리만의 통계적 능력과 GW170817과 같은 밝은 소리와의 조합에서의 능력을 평가하는 것.
• 은하 카탈로그의 마스킹, 샘플 선택, 항성 오염 등의 체계적 오차를 정량화하는 것.

제안 방법

• 구면 조화 분해를 사용하여 중력파 소스 지도와 은하 적색편이 카탈로그(2MPZ, WSC) 간의 각도 상관력스펙트럼을 구성한다.
• 알 수 없는 중력파 적색편이 분포, 은하 편향, 중력파 편향 매개변수 bGW(z) = bGW(1 + z)^α에 따라 각도 상관관계를 모델링한다.
• 베이지안 프레임워크를 사용하여 천체물리적 매개변수(H₀, Ωₘ)와 부수적 매개변수(bGW, α)를 추론하며, 적색편이 및 편향 불확실성에 대해 근사적으로 통합한다.
• 상관력스펙트럼의 공분산 행렬에 조사 마스크, 샷 노이즈, 천구 비율(fsky)을 고려한다.
• 스케일 컷(10 < ℓ < 70)을 적용하고, SuperCOSMOS 데이터의 플레이트 효과와 같은 체계적 요인을 위한 템플릿을 포함하여 상관관계를 줄인다.
• 공간 군집이 없는 랜덤화된 은하 카탈로그를 사용하여 파ip라인을 검증하여 H₀에 대한 잘못된 제약 조건이 발생하지 않음을 확인한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 GWTC-3 데이터를 사용하여 어둠침 소리와 광학적 은하 간의 상관관계가 통계적으로 유의미한 H₀ 제약 조건을 제공할 수 있는가?
• RQ2 어둠침 소리에서의 H₀ 사후분포는 GW170817의 밝은 소리 제약 조건과 조합했을 때 어떻게 비교되는가?
• RQ3 은하 조사 체계적 오차—예를 들어 항성 오염, 마스킹, 스케일 컷—는 H₀ 추론에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 결과가 중력파 소스 적색편이 분포나 편향 진화에 대한 가정에 얼마나 의존하는가?
• RQ5 상관관계 기법이 PISN 질량 갭에 대한 가정 없이 독립적인 H₀ 측정을 제공할 수 있는가?

주요 결과

• 잘 국소화된 중력파 소스 수가 적고 천구 국소화 오차가 크기 때문에 어둠침 소리만으로 H₀에 대한 사후분포는 정보가 없다.
• 8개의 잘 국소화된 어둠침 소리와 GW170817을 조합하면 H₀ = 75.4⁺¹¹₋₆ km/s/Mpc(중앙값 및 68.3% 등각 간격)를 얻게 되며, 이 제약 조건은 주로 밝은 소리에 의해 결정된다.
• 상관관계 기법은 쌍대 불안정성 초신성 질량 갭의 하한에 대한 가정을 필요로 하지 않아, H₀ 추정에 대한 보완적인 경로를 제공한다.
• 항성 오염과 마스킹으로 인한 체계적 오차는 은하 파wer 스펙트럼의 진폭에 스케일에 영향을 주지 않는 이동을 유도하며, 이는 편향과 상관관계가 있어 H₀ 추론에 체계적 오차를 유발하지 않는다.
• 랜덤화된 은하 카탈로그를 사용한 검증을 통해 H₀에 대한 잘못된 제약 조건이 발생하지 않음을 확인하여 파이프라인의 강건성을 입증하였다.
• 향후 더 잘 국소화된 중력파 사건들이 증가함에 따라 향상될 것으로 기대되며, 소스 밀도가 증가함에 따라 상관관계 기법이 통계적으로 강력해질 것이다.