[논문 리뷰] Gravitational wave cosmology and astrophysics with large spectroscopic galaxy surveys

A. Palmese, Or Graur외 13명|arXiv (Cornell University)|2019. 03. 12.

Pulsars and Gravitational Waves Research참고 문헌 45인용 수 8

한 줄 요약

이 논문은 DESI와 같은 대규모 스펙트로스코픽 은하 설문조사를 활용하여 중력파 '표준 소리'를 통해 정밀한 천체물리 측정을 가능하게 하며, 특히 전통적인 방법과는 독립적으로 허블 상수 $H_0$를 추정하는 데 목적이 있다. 중력파의 주변 은하의 스펙트로스코픽 적으로 측정된 적색편이와 결합함으로써, 향후 10년 내에 $H_0$ 측정의 정밀도를 약 $\sim1\!-\!2\%$ 수준으로 끌어올릴 수 있으며, 이는 현재의 $H_0$ 갈등을 해결하고 암흑 에너지 및 밀집 천체 형성에 대한 모델에 의존하지 않는 제약 조건을 제공한다.

ABSTRACT

During the next decade, gravitational waves will be observed from hundreds of binary inspiral events. When the redshifts of the host galaxies are known, these events can be used as `standard sirens', sensitive to the expansion rate of the Universe. Measurements of the Hubble constant $H_0$ from standard sirens can be done independently of other cosmological probes, and events occurring at $z<0.1$ will allow us to infer $H_0$ independently of cosmological models. The next generation of spectroscopic galaxy surveys will play a crucial role in reducing systematic uncertainties in $H_0$ from standard sirens, particularly for the numerous `dark sirens' which do not have an electromagnetic counterpart. In combination with large spectroscopic data sets, standard sirens with an EM counterpart are expected to constrain $H_0$ to $\sim 1-2\%$ precision within the next decade. This is competitive with the best estimates of $H_0$ obtained to date and will help illuminate the current tension between existing measurements. Information on the galaxies that host the gravitational wave events will also shed light on the origin and evolution of compact object binaries.

연구 동기 및 목표

• CMB와 국지적 거리 단계 측정 간의 $H_0$ 갈등을 중력파 '표준 소리'를 통해 해결하기 위해.
• 특히 전자기적 반영이 없는 '어둠의 소리'에 대해 정확한 스펙트로스코픽 적으로 측정된 적색편이를 활용하여 $H_0$ 추정의 체계적 불확실성을 줄이기 위해.
• 높은 적색편이($z > 0.1$)에서 천체물리 설문조사와 결합한 표준 소리로 암흑 에너지 등 천체물리 모수에 대한 모델에 의존하지 않는 제약 조건을 제공하기 위해.
• 스펙트로스코픽 설문조사에서 확보한 은하 카탈로그와 중력파 병합 공간 분포를 교차 분석함으로써 밀집 이중성 천체 형성 시나리오를 이해하기 위해.
• LISA, ET, CE와 같은 향후 중력파 실험을 지원하기 위해 깊고 넓은 영역의 은하 카탈로그를 제공함으로써, 주변 은하 식별 및 천체물리 추론의 가능성을 넓히기 위해.

제안 방법

• 대규모 설문조사를 통해 확보한 스펙트로스코픽 적으로 측정된 적색편이를 활용하여 중력파 주변 은하의 적색편이 $z$를 결정함으로써, $cz = H_0 D$를 통해 정밀한 $H_0$ 추정이 가능하도록 하는 방법.
• 전자기적 반영이 있는 빛나는 소리(밝은 소리)에 표준 소리 방법을 적용함. 이 경우 거리 $D$는 중력파의 진폭과 스펙트로스코픽으로 측정된 적색편이 $z$로부터 유도된다.
• 은하 밀도장과의 교차상관을 통해 중력파 국소화 영역 내의 은하 카탈로그를 활용하여 어둠의 소리에 대한 적색편이를 통계적 추론으로 추정하는 방법.
• 고정밀도의 광학적 및 스펙트로스코픽 적으로 측정된 적색편이를 조합하여 체계적 오차를 완화함. 특히 어둠의 소리에서 통계적 오차가 $\sim10\%$ 수준에 가까워질 경우에 유의미하다.
• 중력파 병합 카탈로그와 스펙트로스코픽 은하 설문조사를 교차 분석하여 이중 블랙홀 형성 경로(예: 고립형 대비 천체역학적 형성)를 구별하는 방법.
• DESI와 같은 설문조사를 통해 확보한 은하 카탈로그를 활용하여 향후 LISA, ET, CE에서 발생하는 중력파 사건에 대한 주변 은하 식별을 가능하게 하고, 천체물리적 영역을 $z \sim 1$ 수준까지 확장하는 방법.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 스펙트로스코픽으로 측정된 적색편이를 가진 중력파 사건에서 유래한 표준 소리가 CMB와 표준 캔들 방법과는 독립적으로 $H_0$를 측정할 수 있는가?
• RQ2 전자기적 반영이 없는 '어둠의 소리'에 대해 스펙트로스코픽 은하 설문조사가 $H_0$ 추정의 체계적 불확실성을 얼마나 줄일 수 있는가?
• RQ3 중력파 병합 공간 분포와 은하 카탈로그 간의 교차상관을 통해 블랙홀 이중성 천체의 다양한 형성 경로를 어떻게 구별할 수 있는가?
• RQ4 향후 스펙트로스코픽 설문조사를 활용하여 $z \lesssim 0.1$에서 빛나는 소리로 $H_0$의 정밀도는 어느 정도 달성할 수 있는가?
• RQ5 은하 설문조사와 결합한 $z > 0.1$에서의 표준 소리가 암흑 에너지에 대한 모델에 의존하지 않는 제약 조건을 제공할 수 있는가?

주요 결과

• 전자기적 반영이 있는 표준 소리(빛나는 소리)는 DESI와 같은 설문조사에서 확보한 스펙트로스코픽 적으로 측정된 적색편이를 활용하여 향후 10년 내에 $H_0$를 약 $\sim1\!-\!2\%$ 정밀도로 제약 조건을 설정할 수 있다.
• $z \lesssim 0.1$ 영역에서는 선형 관계 $cz = H_0 D$를 통해 천체물리 모델에 의존하지 않는 $H_0$ 추정이 가능하므로, 모델에 의존하지 않는 $H_0$ 측정이 실현된다.
• 전자기적 반영이 없는 중력파 사건인 어둠의 소리의 경우, 약 $\sim100$개의 잘 국소화된 사건과 광학-광학적 적색편이를 조합함으로써 $H_0$의 통계적 불확실성을 약 $\sim5\%$ 수준으로 낮출 수 있으나, 체계적 오차를 $\sim10\%$ 이하로 줄이기 위해서는 스펙트로스코픽 적으로 측정된 적색편이가 필수적이다.
• 스펙트로스코픽 적으로 측정된 적색편이는 특히 어둠의 소리에서 통계적 오차가 $\sim10\%$ 수준에 가까워질수록 $H_0$ 추정의 체계적 오차를 완화하는 데 핵심적인 역할을 한다.
• DESI와 유사한 은하 설문조사와 중력파 카탈로그의 교차상관을 통해 공간 집합 패턴을 분석함으로써 블랙홀 이중성 천체의 형성 시나리오를 구별할 수 있다.
• DESI와 같은 대규모 스펙트로스코픽 설문조사가 향후 중력파 실험(LISA, ET, CE)을 위한 필수적인 주변 은하 카탈로그를 제공함으로써, 천체물리적 추론의 범위를 $z \sim 1$ 수준까지 확장할 수 있다.