[논문 리뷰] Prospects for measuring the Hubble constant and dark energy using gravitational-wave dark sirens with neutron star tidal deformation

Shang-Jie Jin, Tian-Nuo Li외 2명|arXiv (Cornell University)|2022. 02. 24.

Pulsars and Gravitational Waves Research인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 제3세대 중력파 탐지기(3G)가 전자기적 병행 대상이 없는 이중 중성자별 합병에서 발생하는 중력파 신호인 어둠의 소리(sirens)를 이용해 정밀 천체론을 가능하게 할 수 있음을 보여준다. 중성자별의 조임 변형(tidal deformations)을 활용해 적색이동을 추정함으로써, 3년 간의 관측과 완벽하게 알려진 중성자별 상태방정식을 바탕으로 ET2CE 네트워크는 허블 상수에 대해 0.15% 정밀도, 다크 에너지의 상태방정식에 대해 0.95% 정밀도를 달성한다. 이는 허블 긴장 문제를 해결하고 다크 에너지를 특성화하는 데 있어 돌파구를 제공한다.

ABSTRACT

Using the measurements of tidal deformation in the binary neutron star (BNS) coalescences can obtain the information of redshifts of gravitational wave (GW) sources, and thus actually the cosmic expansion history can be investigated using solely such GW dark sirens. To do this, the key is to get a large number of accurate GW data, which can be achieved with the third-generation (3G) GW detectors. Here we wish to offer an answer to the question of whether the Hubble constant and the equation of state (EoS) of dark energy can be precisely measured using solely GW dark sirens. We find that in the era of 3G GW detectors ${\cal O}(10^5-10^6)$ dark siren data (with the NS tidal measurements) could be obtained in three-year observation if the EoS of NS is perfectly known, and thus using only dark sirens can actually achieve the precision cosmology. Based on a network of 3G detectors, we obtain the constraint precisions of $0.15\%$ and $0.95\%$ for the Hubble constant $H_0$ and the constant EoS of dark energy $w$, respectively; for a two-parameter EoS parametrization of dark energy, the precision of $w_0$ is $2.04\%$ and the error of $w_a$ is 0.13. We conclude that 3G GW detectors would lead to breakthroughs in solving the Hubble tension and revealing the nature of dark energy provided that the EoS of NS is perfectly known.

연구 동기 및 목표

• 단지 중력파 어둠의 소리만을 이용해 허블 상수와 다크 에너지 상태방정식을 정밀하게 측정할 수 있는지 조사한다.
• 전자기적 병행 대상이 없는 제3세대(3G) 지상 중력파 탐지기(예: 코스믹 익스플로러, 아이ン슈타인 전기계)의 천체론 잠재력을 평가한다.
• 중성자별의 조임 변형 측정이 적색이동 추정과 우주 팽창 역사 재구성에 끼치는 영향을 평가한다.
• 단지 중력파 어둠의 소리만을 이용해 정밀 천체론을 달성하기 위해 필요한 데이터량과 탐지기 감도를 규명한다.
• 전통적 탐측수단(예: CMB, BAO, 초신성)과의 비교를 통해 어둠의 소리에서의 천체론 제약 조건을 평가한다.

제안 방법

• 3년 간의 관측 기간 동안 제3세대 탐지기 네트워크(ET, CE, 2CE, ET2CE)를 사용해 이중 중성자별(BNS) 합병에서 유래한 중력파 신호를 시뮬레이션한다.
• 웨이브폼에 조임 변형 효과를 통합하여 적색이동 정보를 추출함으로써, 전자기 병행 대상이 없더라도 거리-적색이동 관계를 재구성할 수 있도록 한다.
• 중성자별 상태방정식(EoS)을 완벽하게 알고 있다는 가정 하에, 조임 변형 측정이 천체론 측정 잠재력에 미치는 영향을 분리하여 분석한다.
• 피셔 행렬 분석을 수행하여 $H_0$, $w$, $w_0$, $w_a$ 등의 천체론 파라미터 제약 조건을 예측한다.
• 기존의 천체론 탐측수단(예: 플랑크, 유클리드, CMB-S4, 팬톤)과의 예측 정밀도를 비교하여 경쟁력 여부를 평가한다.
• 평탄한 $\Lambda$CDM 모델과 $w_0w_a$ CDM 모델을 사용해 다양한 매개변수화 방식에서 다크 에너지 제약 조건을 테스트한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 제3세대 탐지기에서 유래한 중력파 어둠의 소리만을 사용해 허블 상수를 1% 이내의 정밀도로 측정할 수 있는가?
• RQ2 이중 중성자별 합병 신호의 조임 변형을 이용해 다크 에너지 상태방정식을 1% 이내의 정밀도로 제약 조건을 설정할 수 있는가?
• RQ3 3G 탐지기 네트워크 구성(예: ET2CE)이 천체론 파라미터 추정의 정밀도에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 중성자별 상태방정식을 완벽하게 알고 있다는 가정 하에, 정밀 천체론을 달성하기 위해 필요한 어둠의 소리 사건의 수는 얼마인가?
• RQ5 어둠의 소리에서의 천체론 제약 조건은 CMB, BAO, 초신성 데이터의 조합과 비교해 어떻게 다른가?

주요 결과

• 3년 간의 관측과 중성자별 상태방정식을 완벽하게 알고 있다는 조건에서, 3G 탐지기는 조임 측정이 포함된 $\mathcal{O}(10^5 - 10^6)$건의 어둠의 소리 사건을 수집할 수 있다.
• ET2CE 네트워크는 허블 상수 $H_0$에 대해 $0.15\%$의 정밀도를 달성하여 정밀 천체론의 표준에 가까이 접근한다.
• 일정한 다크 에너지 상태방정식 $w$에 대해, ET2CE 네트워크를 사용할 경우 정밀도가 $0.95\%$에 이른다.
• 두 매개변수 $w_0w_a$ CDM 모델에서 ET2CE 네트워크는 $\sigma(w_0) = 2.04\%$ 및 $\sigma(w_a) = 0.126$를 도출하며, 플랑크 TT,TE,EE+lowE+BAO+패논 데이터를 초월한다.
• ET2CE 네트워크의 $w_0$ 및 $w_a$ 제약 조건은 유클리드와 CMB-S4 조합의 낙관적 경우와 비교해 유사하거나 더 우수하다.
• 단일 ET 탐지기조차도 $\sigma(w) = 0.034$를 기록하여 최신 플랑크 제약 조건과 유사한 결과를 보이며, 어둠의 소리 자체만으로도 강력한 천체론 잠재력을 지닌다는 것을 입증한다.