[논문 리뷰] Mapping the cosmic expansion history from LIGO-Virgo-KAGRA in synergy with DESI and SPHEREx

Cristina Cigarrán Díaz, Suvodip Mukherjee|arXiv (Cornell University)|2021. 07. 27.

Pulsars and Gravitational Waves Research참고 문헌 146인용 수 59

한 줄 요약

이 논문은 LIGO-Virgo-KAGRA (LVK)에서 탐지한 중력파(GW) 소스와 DESI 및 SPHEREx의 스펙트로스코픽 은하 조사 간의 융합을 통해 간섭 없는 전자기 대응체가 없는 어두운 GW 소스의 3차원 공간 분포를 교차상관함으로써 우주의 팽창 역사를 측정하는 다중 메신저 접근법을 제안한다. 어두운 GW 소스의 3차원 공간 분포를 은하 적색편이 조사와 교차상관함으로써, 5년간의 관측 기간 동안 허블 상수 H₀에 대해 약 1.5%의 정밀도와 암흑 에너지 상태방정식 w₀에 대해 약 8%의 정밀도를 달성하며, SPHEREx가 더 넓은 하늘 영역을 커버하므로 DESI보다 우수한 성능을 보인다.

ABSTRACT

The measurement of the expansion history of the Universe from the redshift unknown gravitational wave (GW) sources (dark GW sources) detectable from the network of exttt{LIGO-Virgo-KAGRA} ( exttt{LVK}) detectors depends on the synergy with the galaxy surveys having accurate redshift measurements over a broad redshift range, large sky coverage, and detectability of fainter galaxies. In this work, we explore the possible synergy of the LVK with the spectroscopic galaxy surveys such as exttt{DESI} and exttt{SPHEREx} to measure the cosmological parameters which are related to the cosmic expansion history and the GW bias parameters. We show that by using the three-dimensional spatial cross-correlation between the dark GW sources and the spectroscopic galaxy samples, we can measure the value of Hubble constant with about $2\%$ and $1.5\%$ precision from exttt{LVK+DESI} and exttt{LVK+SPHEREx} respectively within the five years of observation time with $50\%$ duty-cycle. Similarly, the dark energy equation of state can be measured with about $10\%$ and $8\%$ precision from exttt{LVK+DESI} and exttt{LVK+SPHEREx} respectively. We find that due to the large sky coverage of exttt{SPHEREx} than exttt{DESI}, performance in constraining the cosmological parameters is better from the former than the latter. By combining exttt{Euclid} along with exttt{DESI} and exttt{SPHEREx}, a marginal gain in the measurability of the cosmological parameters is possible from the sources at high redshift ($z\geq 0.9$).

연구 동기 및 목표

• 전자기 대응체가 없는 어두운 중력파 소스를 이용한 우주론적 파라미터 측정을 위한 강력한 방법을 개발하는 것.
• LIGO-Virgo-KAGRA(LVK) 중력파 탐지기와 향후 스펙트로스코픽 조사인 DESI 및 SPHEREx 간의 상호보완성을 평가하는 것.
• 은하 적색편이 분포와의 교차상관을 통해 허블 상수 H₀와 암흑 에너지 상태방정식 w₀에 대한 제약 조건을 향상시키는 것.
• 조사를 위한 하늘 영역 커버리지와 적색편이 깊이가 우주론적 파라미터 추정에 미치는 영향을 평가하는 것.

제안 방법

• LVK에서 탐지한 어두운 GW 소스와 DESI 및 SPHEREx의 은가 샘플 간의 3차원 공간 교차상관을 통해 GW 소스의 군집 적색편이를 추론한다.
• 비정규 분포 및 파arameter 간의 비선형 상관관계를 고려하여, Bilby 패키지를 사용한 베이지안 파라미터 추정 기법을 적용한다. 이는 중력파 신호 파arameter(예: 거리, 천구 위치 등)를 모델링하는 데 사용된다.
• GW 이벤트의 공간 분포를 은하 적색편이 분포와 연결하는 교차상관 우도 프레임워크를 구현함으로써, 직접적인 전자기 대응체 없이도 적색편이를 추론할 수 있도록 한다.
• 선택 효과와 GW 소스가 어둠의 물질 분포를 정확히 따라가지 않을 수 있다는 점을 고려하여 GW 편향 파arameter를 모델링한다.
• 실제 병합률 밀도와 탐지기 민감도를 기반으로 한 몽키 GW 데이터를 사용하며, 5년간의 관측 기간과 50%의 작동 주기 가정한다.
• H₀와 w₀에 대한 우주론적 제약 조건을 분리하기 위해 GW 편향 파aram터에 대해 적분을 수행하며, Ωₘ는 고정한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 어두운 GW 소스와 은하 적색편이 조사만으로 허블 상수 H₀를 2% 이내의 정밀도로 측정할 수 있는가?
• RQ2 은하 조사의 하늘 영역 커버리지와 적색편이 깊이가 H₀ 및 w₀ 추정 성능에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 교차상관 기법이 전자기 대응체 없이도 어두운 GW 소스의 적색편이를 신뢰성 있게 추론할 수 있는가?
• RQ4 SPHEREx가 DESI보다 GW-은하 교차상관을 통한 우주론적 파라미터 제약에 어떤 상대적 이점이 있는가?
• RQ5 웨이브폼 모델링 및 기기 캘리브레이션에서 발생하는 시스템적 오차가 최종 우주론적 제약 조건에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• LVK와 SPHEREx의 조합은 50%의 작동 주기로 5년간 관측한 후 허블 상수 측정 정밀도 약 1.5%를 달성한다.
• LVK+DESI 조합은 약 2%의 정밀도를 보이며, 더 작은 하늘 영역 커버리지로 인해 SPHEREx에 비해 다소 낮은 정밀도를 보인다.
• LVK+SPHEREx를 사용할 경우 암흑 에너지 상태방정식 w₀를 약 8%의 정밀도로 제약할 수 있고, LVK+DESI 조합은 약 10%의 정밀도를 기록한다.
• SPHEREx는 교차상관 함수의 신호 대 잡음비를 향상시켜 우주론적 파라미터 추정에서 DESI를 능가한다. 이는 상당히 넓은 하늘 영역 커버리지 덕분이다.
• DESI 및 SPHEREx와 함께 유클리드를 통합하면 고적색편이 영역(≥0.9)의 파라미터 제약에 약간의 향상이 있으며, 향후 다중 조사 협업의 잠재력을 보여준다.
• 이 방법은 GW 편향 파aram터와 그 적색편이 의존성에 대한 첫 번째 직접 측정을 가능하게 하여, GW 소스가 어둠의 물질 분포를 어떻게 따라가는지에 대한 새로운 탐사 수단을 제공한다.