[논문 리뷰] First measurement of the Hubble parameter from bright binary black hole GW190521

Suvodip Mukherjee, Archisman Ghosh외 7명|arXiv (Cornell University)|2020. 09. 29.

Pulsars and Gravitational Waves Research참고 문헌 9인용 수 36

한 줄 요약

이 논문은 GW190521라는 밝은 BBH 이벤트와 후보 EM 동반체 ZTF19abanrhr를 사용하여 GW 거리와 EM 적색편이를 결합해 H0를 측정하고 Omega_m과 w0를 제약하며, gw170817과 VLBI 기울 정보로 H0를 업데이트한다.

ABSTRACT

The Zwicky Transient Facility (ZTF) reported the event "ZTF19abanrhr" as a candidate electromagnetic (EM) counterpart at a redshift $z=0.438$ to the gravitational wave (GW) emission from the binary black hole merger GW190521. Assuming that ZTF19abanrhr is the {\it bona fide} EM counterpart to GW190521, and using the GW luminosity distance estimate from three different waveforms NRSur7dq4, SEOBNRv4PHM, and IMRPhenomPv3HM, we report a measurement of the Hubble constant $H_0= 50.4_{-19.5}^{+28.1}$ km/s/Mpc, $ 62.2_{-19.7}^{+29.5}$ km/s/Mpc, and $ 43.1_{-11.4}^{+24.6}$ km/s/Mpc (median along with $68\%$ credible interval) respectively after marginalizing over matter density $Ω_m$ (or dark energy equation of state $w_0$) assuming the flat LCDM (or wCDM) model. Combining our results with the binary neutron star event GW170817 with its redshift measurement alone, as well as with its inclination angle inferred from Very Large Baseline Interferometry (VLBI), we find $H_0= 67.6_{-4.2}^{+4.3}$ km/s/Mpc, $Ω_m= 0.47_{-0.27}^{+0.34}$, and $w_0= -1.17_{-0.57}^{+0.68}$ (median along with $68\%$ credible interval) providing the most stringent measurement on $H_0$ and the first estimation on $Ω_m$ and $w_0$ from bright standard siren. In the future, $1.3\%$ measurement of $H_0=68$ km/s/Mpc and $28\%$ measurement of $w_0=-1$ is possible from about $200$ GW190521-like sources.

연구 동기 및 목표

• 중력파 표준 시너를 EM 대응을 가진 BBH 병합으로 사용하여 우주론 매개변수를 측정하는 동기 부여 및 평가.
• GW 광도 거리와 EM 적색편이 데이터를 결합하여 LCDM 및 wCDM 모델하에서 베이지안 추정을 통해 H0, Omega_m, w0를 계산.
• 다양한 GW 파형과 추가 이벤트(GW170817, VLBI 기울 정보)를 포함하여 우주론 제약의 개선을 평가.
• 향후 BBH+EM 표준 시너가 우주론 제약을 얼마나 강화할 수 있을지 전망 및 예측

제안 방법

• 베이즈 정리를 사용하여 GW 광도 거리와 EM 적색편이 데이터로부터 우주론 매개변수 Theta_c를 추정한다.
• LCDM 또는 wCDM 모델에 따라 d_l에 대한 사전분포를 주변화하고 Omega_m 또는 w0를 주변화한다.
• 세 가지 데이터 세트 조합(D1, D2, D3)과 세 가지 GW 파형(SEOBNRv4PHM, NRSur7dq4, IMRPhenomPv3HM)을 분석한다.
• GW170817 및 VLBI 기울 정보를 포함하여 H0 추정치를 정제한다.
• 다양한 모델/데이터 조합 하에서 H0, Omega_m, w0에 대한 사후 분포를 제시한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 밝은 EM 대응을 가진 BBH 이벤트가 표준 시너 방법으로 Hubble 상수를 제약할 수 있는가?
• RQ2 GW190521+ZTF19abanrhr에서 서로 다른 GW 파형이 제시하는 H0와 우주론 매개변수에 어떤 영향을 주는가?
• RQ3 GW170817 및 VLBI 기울 정보를 포함하는 것이 공동 우주론 제약에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 향후 GW190521과 같은 이벤트에서 H0, Omega_m, w0에 대해 어떤 수준의 정밀도가 달성될 수 있는가?
• RQ5 BBH 표준 시너의 결과가 Planck 또는 SH0ES 측정과 불확실성 내에서 일치하는가?

주요 결과

• GW190521+ZTF19abanrhr에서 파형에 따라 H0 추정치가 달라진다: 62.2+29.5-19.7, 50.4+28.1-19.5, 43.1+24.6-11.4 km/s/Mpc(D1a, D1b, D1c).
• GW170817과 결합하면 NRSur7dq4 하에서 D2b의 H0 = 69.1-5.8+9.4 km/s/Mpc로, VLBI 기울 정보로 더 좁혀져 H0 = 67.6+4.3-4.2 km/s/Mpc(D3b).
• D3b의 공동 제약은 Omega_m = 0.47-0.27+0.34 및 w0 = -1.17-0.57+0.68로 이 파라미터들의 첫 표준 시너 시대 한계에 해당한다.
• 측정된 H0는 Planck와 약 1.6 시그마 내에서 SH0ES와 일치하며, 본 연구는 밝은 표준 시너로 Omega_m 및 w0에 대한 최초 제약을 제공한다.
• 약 200개의 GW190521과 유사한 소스와 EM 대응을 포함하면 H0의 정밀도가 약 1.3%, w0에 대해 약 28% 수준으로 개선될 수 있다는 전망이 제시된다.
• 이 분석은 EM 대응을 가진 밝은 BBH 병합이 높은 적색편위까지 우주론을 탐구할 수 있는 가능성을 시사한다.