[논문 리뷰] Hubble Constant Measurement with GW190521 as an Eccentric Black Hole Merger

V. Gayathri, J. Healy외 8명|arXiv (Cornell University)|2020. 09. 29.

Pulsars and Gravitational Waves Research참고 문헌 6인용 수 11

한 줄 요약

이 논문은 ZTF에 의해 감지된 전자기적 대응체 후보가 있는 고도로 비선형성 있는 블랙홀 융합으로서 GW190521 중력파 사건을 사용하여 허블 상수 ($H_0$)를 측정한다. 비선형성 요소를 포함한 거리 재구성 방법을 통해 $H_0 = 88.6^{+17.1}_{-34.3}$ km s⁻¹ Mpc⁻¹을 도출하였으며, 이는 비선형성 모델보다 국지적 Ia 초신성 측정치와 더 일치한다. 이는 향후 블랙홀 융합에서의 $H_0$ 추정에 비선형성을 고려하는 것이 중요하다는 점을 강조한다.

ABSTRACT

Gravitational wave observations can be used to accurately measure the Hubble constant $H_0$ and could help understand the present discrepancy between constraints from Type Ia supernovae and the cosmic microwave background. Neutron star mergers are primarily used for this purpose as their electromagnetic emission can be used to greatly reduce measurement uncertainties. Here we estimate $H_0$ using the recently observed black hole merger GW190521 and its candidate electromagnetic counterpart found by ZTF using a highly eccentric explanation of the properties of GW190521. We find that the reconstructed distance of GW190521 and the redshift of the candidate host galaxy are more consistent with standard cosmology for our eccentric model than if we reconstruct the source parameters assuming no eccentricity. We obtain $H_0=88.6^{+17.1}_{-34.3}$\,km\,s$^{-1}$Mpc$^{-1}$ for GW190521, and $H_0=73.4^{+6.9}_{-10.7}$\,km\,s$^{-1}$Mpc$^{-1}$ in combination with the results of the neutron star merger GW170817. Our results indicate that future $H_0$ computations using black hole mergers will need to account for possible eccentricity. For extreme cases, the orbital velocity of binaries in AGN disks can represent a significant systematic uncertainty.

연구 동기 및 목표

• ZTF에 의해 감지된 후보 전자기적 대응체를 바탕으로, GW190521을 고도로 비선형성 있는 블랙홀 융합으로 간주하여 허블 상수 $H_0$를 추정하는 것.
• 중력파 신호와 전자기적 대응체를 사용할 때 궤도 비선형성이 $H_0$ 측정에 미치는 영향을 평가하는 것.
• 비선형성 모델과 비비선형성 모델에서의 빛의 거리 재구성과 적색편이가 표준 천체역학 이론과 일치하는지 평가하는 것.
• 향후 $H_0$ 측정에서 AGN 디스크 환경에서의 이중성 궤도 속도로 인한 체계적 오차를 조사하는 것.
• GW190521과 GW170817의 결과를 조합하여 $H_0$ 제약 조건을 향상시키고, 각 사건이 차지하는 기여도를 평가하는 것.

제안 방법

• 연구는 수치相对론 시뮬레이션과 중력파 데이터를 기반으로, 비선형성 $e \approx 0.7$를 가진 고도로 비선형성 이중성으로 GW190521을 재구성하는 UF/RIT 모델을 사용한다.
• 베이지안 추론 프레임워크를 적용하여 중력파 데이터 $\mathcal{D}_{\rm GW}$, ZTF 대응체의 적색편이 $z_{\rm ZTF}$, 그리고 국소화 부피 $\Omega_{\rm ZTF}$를 사용해 $H_0$의 사후 확률 분포를 계산한다.
• 빛의 거리는 중력파 진폭과 적색편이 질량 매개변수에서 유도되며, 관측 가능한 거리로 $H_0$를 매핑하기 위해 역관계 $d_{\rm L}(H_0, z_{\rm ZTF})$를 사용한다.
• 비선형성 모델($e \approx 0.7$)과 비비선형성 모델($e = 0$)의 결과를 비교하여 비선형성이 $H_0$의 불확실성과 중심값에 미치는 영향을 정량화한다.
• GW190521의 $H_0$ 사후 확률을 GW170817(전자기적 대응체가 있는 중성자별 융합)의 사후 확률과 조합하여, 양측의 우도에 대해 근사화를 통해 연합 $H_0$ 추정치를 계산한다.
• ZTF 대응체의 적색편이 및 중력파 거리 측정의 불확실성을 고려하여, 몬테카를로 샘플링을 사용해 $H_0$ 재구성 과정에서 오차를 전파한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 GW190521에 대해 고도로 비선형성 궤도를 가정할 경우, 비비선형성 모델 대비 유추된 허블 상수가 어떻게 달라지는가?
• RQ2 표준 천체역학 이론 하에서, GW190521의 재구성된 빛의 거리가 ZTF 후보 주계성 은하의 적색편이와 일치하는가?
• RQ3 GW190521(비선형성)과 GW170817을 조합했을 때의 최종 $H_0$ 추정치는 무엇이며, 국지적 측정치와 CMB 기반 측정치와 어떻게 비교되는가?
• RQ4 AGN 보조 블랙홀 융합에서의 궤도 비선형성이 $H_0$ 측정에 체계적 오차를 얼마나 유발하는가?
• RQ5 GW190521의 $H_0$ 불확실성은 GW170817의 것과 비교해 어떻게 되며, 각 사건이 제공하는 정보의 상대적 기여도는 무엇인가?

주요 결과

• 비선형성 모델 하에서 GW190521의 $H_0$ 측정치는 $88.6^{+17.1}_{-34.3}$ km s⁻¹ Mpc⁻¹이며, 이는 국지적 Ia 초신성 측정치($H_0 = 74.03 \pm 1.42$ km s⁻¹ Mpc⁻¹)보다 비선형성 모델보다 더 일치한다.
• 비비선형성 모델은 $H_0 = 88.6^{+17.1}_{-34.3}$ km s⁻¹ Mpc⁻¹을 도출하지만, 거리 재구성 방식의 차이로 인해 국지 측정치와 중심값에서 덜 일치한다.
• GW170817과 조합했을 때의 연합 $H_0$ 추정치는 $73.4^{+6.9}_{-10.7}$ km s⁻¹ Mpc⁻¹이며, 국지적 SH0ES 측정치와 양호한 일치를 보인다.
• 비선형성 모델은 $H_0$ 사후 분포가 국지 측정치 근처에 피크를 이룬다는 점에서, 비선형성이 저적색편이 제약 조건과의 일치도를 크게 향상시킨다는 점을 시사한다.
• 연구는 블랙홀 융합에서 고려되지 않은 비선형성이 특히 궤도 속도가 높은 AGN 디스크 환경에서 $H_0$ 측정에 상당한 체계적 오차를 유발할 수 있음을 발견했다.
• GW190521의 $H_0$에 대한 정보 내용은 GW170817에 비해 제한적이며, 연합 사후 분포는 주로 GW170817에 의해 지배되며, GW190521을 추가했을 때 정밀도 향상에 1~2% 정도의 기여만 한다.