[論文レビュー] Standard Siren Speed Trap: Policing velocities in gravitational-wave measurements of $H_{0}$

Cullan Howlett, T. M. Davis|arXiv (Cornell University)|Sep 2, 2019

Pulsars and Gravitational Waves Research参考文献 5被引用数 5

ひとこと要約

本稿は、GW170817を事例として、重力波標準サインの測定におけるハッブル定数（$H_0$）に、宿主銀河NGC4993の全速度および特異速度の不確実性が顕著に影響することを示している。ベイジアンモデル平均化と高分解能電波画像を組み合わせることで、著者らは$H_0$を$64.8^{+7.3}_{-7.2}$ km s⁻¹ Mpc⁻¹に精錬し、宇宙論的推論において速度系の不確実性を適切に取り入れる必要性が極めて重要であることを強調している。

ABSTRACT

We re-analyze data from the gravitational-wave event GW170817 and its host galaxy NGC4993 to demonstrate the importance of accurate total and peculiar velocities when measuring the Hubble constant using Standard Sirens. We show that a number of reasonable choices can be made to estimate the velocities for this event, but that systematic differences remain between these measurements depending on which data is used. This leads to significant changes in the recovered Hubble constant inferred from GW170817. We present Bayesian Model Averaging as one way to account for these differences, and doing so obtain $H_{0}=66.8^{+13.4}_{-9.2}\,\mathrm{km\,s^{-1}\,Mpc^{-1}}$. Adding additional information on the viewing angle from high resolution imaging of the radio counterpart refines this to $H_{0}=64.8^{+7.3}_{-7.2}\,\mathrm{km\,s^{-1}\,Mpc^{-1}}$. During this analysis we also present an alternative Bayesian model for evaluating the posterior on $H_{0}$ from Standard Sirens that works more closely with observed quantities from redshift and peculiar velocity surveys. Our results more accurately capture the true uncertainty on the total and peculiar velocities of NGC4993 and show that more effort should be made to explore how well different datasets characterize galaxy groups and the velocity field in the local Universe; Standard Siren measurements must take these differences into account to obtain unbiased cosmological constraints. The conclusions of this work are also relevant for measurements of the Hubble constant from other isolated low redshift probes, i.e., individual Standard Candles and from Fast Radio Bursts, however the importance of precise velocities diminishes as the number of measurements increases because the random component of the peculiar velocity averages out.

研究の動機と目的

• 重力波標準サインからの$H_0$測定に、全速度および特異速度の不確実性が与える影響を評価すること。
• GW170817の宿主銀河NGC4993の速度データの選択に応じて生じる$H_0$推定値の系統的差異を特定すること。
• モデルとデータの不確実性を考慮するためのベイジアンモデル平均化の手法を考案・適用すること。
• 観測赤方偏移と特異速度調査データを$H_0$の後確度推定に統合する新しいベイジアンフレームワークを提唱すること。
• 低赤方偏移の標準サインからの偏りのない宇宙論的制約を得るための、局所的速度場の正確なモデリングの重要性を強調すること。

提案手法

• GW170817とNGC4993のデータを、複数の速度推定アプローチを用いて再分析し、系統的差異を定量化すること。
• 異なる速度モデルの結果を統合するためにベイジアンモデル平均化を適用し、モデル選択に起因するバイアスを低減すること。
• GW170817対応天体の高分解能電波画像を組み込み、視線角を制約し、速度の精度を向上させること。
• 観測赤方偏移と特異速度調査データを直接用いて$H_0$の後確度を計算する新しいベイジアンモデルを構築すること。
• マルコフ連鎖モンテカルロ法を用いて、速度の不確実性を$H_0$の後確度分布へ適切に伝播させ、誤差の補正を実施すること。
• 異なる速度データセット間での結果を比較し、残存する系統的誤差とそれらが$H_0$制約に与える影響を定量化すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 NGC4993の全速度および特異速度を推定する際の異なる選択肢が、GW170817からの推定$H_0$値にどのように影響するか？
• RQ2 速度推定の系統的差異が、標準サインの$H_0$測定にどれほどバイアスを引き起こすか？
• RQ3 複数の速度モデルが利用可能な状況で、ベイジアンモデル平均化が$H_0$推定の不確実性とバイアスを効果的に低減できるか？
• RQ4 GW170817対応天体の高分解能電波画像を組み込むことで、$H_0$制約の精度がどのように向上するか？
• RQ5 局所的速度場の不確実性は、標準サインやフレッシュラジオバーストなどの孤立した低赤方偏移プローブからの宇宙論的制約において、どのような役割を果たすか？

主な発見

• NGC4993の速度推定値における系統的差異が、GW170817からの推定$H_0$に顕著な変動を引き起こしており、主要な不確実性要因であることが明らかになった。
• ベイジアンモデル平均化を用いることで、著者らは$H_0 = 66.8^{+13.4}_{-9.2}$ km s⁻¹ Mpc⁻¹を算出し、速度推定におけるモデルおよびデータの不確実性を考慮した。
• GW170817対応天体の高分解能電波画像を組み込むことで、$H_0$推定値は$64.8^{+7.3}_{-7.2}$ km s⁻¹ Mpc⁻¹に精錬され、不確実性が低減され、精度が向上した。
• 本研究では、銀河団および局所的速度場の現在のデータセットが不十分に特徴づけられており、$H_0$測定における未特定の系統的誤差を生じさせていることが判明した。
• 提唱されたベイジアンモデルは、観測赤方偏移と特異速度調査データをよりよく統合し、$H_0$推定における速度不確実性の表現をより正確にした。
• これらの発見は、速度系の不確実性が標準サインや他の低赤方偏移宇宙論的プローブにとって重要な挑戦であることを強調しており、ランダムな特異速度成分の平均化により、サンプルサイズが増加するにつれてその影響は薄れる。