[논문 리뷰] Testing the nature of gravitational wave propagation using dark sirens and galaxy catalogues

Anson Chen, R. Gray외 1명|arXiv (Cornell University)|2023. 09. 07.

Pulsars and Gravitational Waves Research참고 문헌 84인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 어둠의 시린(다크 시렌) — 전자기적 병행 대응이 없는 중력파 사건 — 를 사용하여 중력파 전파에서 일반 상대성 이론의 매개변수화된 편차를 시험하기 위해 gwcosmo 코드를 확장한다. 은하 목록과 밀집 천체 질량 분포를 결합함으로써 수행된다. 이 방법은 GWTC-3의 46개 사건에 적용되어 $H_0$와 수정 중력 매개변수에 대한 연합 제약 조건을 도출하며, 향후 데이터로 중력 시험에 있어 어둠의 시렌이 견고한 도구가 될 수 있음을 보여준다.

ABSTRACT

The dark sirens method enables us to use gravitational wave events without electromagnetic counterparts as tools for cosmology and tests of gravity. Furthermore, the dark sirens analysis code gwcosmo can now robustly account for information coming from both galaxy catalogues and the compact object mass distribution. We present here an extension of the gwcosmo code and methodology to constrain parameterized deviations from General Relativity that affect the propagation of gravitational waves. We show results of our analysis using data from the GWTC-3 gravitational wave catalogues, in preparation for application to the O4 observing run. After testing our pipelines using the First Two Years mock data set, we reanalyse 46 events from GWTC-3, and combine the posterior for BBH and NSBH sampling results for the first time. We obtain joint constraints on H0 and parameterized deviations from General Relativity in the Power Law + Peak BBH population model. With increased galaxy catalogue support in the future, our work sets the stage for dark sirens to become a powerful tool for testing gravity.

연구 동기 및 목표

• 전자기적 병행 대응이 없는 중력파 사건(어둠의 시렌)을 사용하여 수정 중력 이론을 시험하는 방법을 개발하는 것.
• 계층적 베이지안 프레임워크에서 은하 목록의 적색편이 사전 정보와 밀집 천체 질량 분포 정보를 결합하여 천체물리적 추론을 향상시키는 것.
• gwcosmo 코드를 확장하여 어둠의 시렌 분석에서 은하 목록 데이터와 인구 모델 제약 조건을 견고하게 반영하는 것.
• O4 관측 런 데이터 준비를 위해 몽키 데이터로 파ipelined를 검증하고 GWTC-3 사건을 재분석하는 것.
• 광속 거리-적색편이 관계에서 일반 상대성 이론의 매개변수화된 편차와 $H_0$에 대한 연합 제약 조건을 가능하게 하는 것.

제안 방법

• GLADE+ 은하 목록에서 유도된 적색편이 사전 정보와 중력파 데이터를 계층적 베이지안 프레임워크에 통합한다.
• 원천 프레임에서의 밀집 천체 질량 분포를 통합하여 $(1+z)$ 스케일링으로 인한 관측(검출기 프레임) 질량 이동을 통해 적색편이를 추론한다.
• 광속 거리-적색편이 관계를 수정하는 세 가지 매개변수화된 모델을 적용한다: $\Xi_0$, $\gamma$, 및 $n$.
• 46개의 이중 블랙홀(BBH) 및 중성자별-블랙홀(NSBH) 사건에 대해 메르코프 체인 몬테카를로 샘플링을 사용하여 GWTC-3에서 유래한 천체물리적 및 중력 매개변수의 연합 사후 확률을 계산한다.
• 실제 GWTC-3 사건을 재분석하기 전에 첫 두 해의 몽키 데이터 세트를 사용하여 파ipelined를 검증한다.
• BBH 및 NSBH 사건의 사후 샘플을 처음으로 결합하여 $H_0$와 중력 매개변수에 대한 연합 제약 조건을 향상시킨다.

Figure 1 : GW luminosity distances in the three modified gravity models analysed in this paper compared to GR. We fix $n=1.91$ in the $(\Xi_{0},n)$ parameterization, and $R_{c}=100$ Mpc in the extra-dimension model.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 전자기적 병행 대응이 없는 상황에서 어둠의 시렌을 사용하여 중력파 전파에서 일반 상대성 이론의 편차를 제약 조건에 둘 수 있는가?
• RQ2 은하 목록의 적색편이 사전 정보와 밀집 천체 질량 분포가 $H_0$와 수정 중력 매개변수에 대한 제약 조건을 어떻게 함께 향상시키는가?
• RQ3 46개의 GWTC-3 사건을 사용하여 $H_0$와 매개변수화된 중력 편차(예: $\Xi_0$, $\gamma$, $n$)에 대한 연합 제약 조건은 무엇인가?
• RQ4 은하 목록과 인구 모델 정보를 모두 포함함으로써 이전 방법에 비해 불확실성이 어떻게 감소하는가?
• RQ5 다양한 매개변수화된 수정 광속 거리가 추론된 사후 분포에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• 확장된 gwcosmo 파ipelined는 GWTC-3의 46개 어둠의 시렌 사건을 사용하여 $H_0$와 일반 상대성 이론의 매개변수화된 편차를 성공적으로 제약 조건에 둔다.
• 연합 사후 분포는 $H_0$와 $\Xi_0$, $\gamma$와 $\Xi_0$, $\mu_g$와 $\sigma_g$, 그리고 $m_{\rm min}^{\rm BH}$와 $\sigma_m$ 사이에 뚜렷한 비선형성(데그레더시)를 보여준다.
• $\Xi_0$ 증가에 따라 사후 적색편이가 크게 이동하는 사건에서는 $\Xi_0$의 우도에 피크가 나타나 수정 중력에 대한 민감도를 보여준다.
• $\Xi_0$ 변화에 따라 적색편이 이동이 최소한인 경우, 우도는 사전에 의해 지배되며 단조롭게 증가하여 민감도가 낮음을 나타낸다.
• 은하 목록 정보와 질량 분포 모델링을 결합함으로써 빛나는 시렌 사건에 대한 의존도를 줄이며 $H_0$에 대한 견고한 제약 조건을 달성한다.
• 향후 질량 분포, 병합률, 은하 목록의 향상에 대응할 수 있도록 프레임워크가 유연하게 조정 가능하여 점차 정밀해지는 중력 시험이 가능하다.

Figure 2 : The normalized posterior probability distribution for $\Xi_{0}$ for individual events (black) and the combined one (red). The blue vertical line labels $\Xi_{0}=1$ recovery of GR.