[论文解读] A standard siren measurement of the Hubble constant using gravitational wave events from the first three LIGO/Virgo observing runs and the DESI Legacy Survey

A. Palmese, Clécio R. Bom+2 more|arXiv (Cornell University)|Nov 11, 2021

Pulsars and Gravitational Waves Research被引用 8

一句话总结

本文利用前三个LIGO/Virgo观测运行中的8个暗标准cannon事件，结合DESI遗产调查的红移数据，提出了一项新的哈勃常数$H_0$测量。结果报告为$H_0 = 79.8^{+19.1}_{-12.8}~\mathrm{km~{}s^{-1}~{}Mpc^{-1}}$（68%最高密度区间），表明结合深度星系巡天的暗cannon可对$H_0$提供具有竞争力的约束。

ABSTRACT

We present a new constraint on the Hubble constant $H_0$ using a sample of well-localized gravitational wave (GW) events detected during the first three LIGO/Virgo observing runs as dark standard sirens. In the case of dark standard sirens, a unique host galaxy is not identified, and the redshift information comes from the distribution of potential host galaxies. From the third LIGO/Virgo observing run detections, we add the asymmetric-mass binary black hole GW190412, the high-confidence GW candidates S191204r, S200129m, and S200311bg to the sample of dark standard sirens analyzed. Our sample contains the top $20\%$ (based on localization) GW events and candidates to date with significant coverage by the Dark Energy Spectroscopic Instrument (DESI) Legacy Survey. We combine the $H_0$ posterior for eight dark siren events, finding $H_0 = 79.8^{+19.1}_{-12.8}~{ m km~s^{-1}~Mpc^{-1}}$ ($68\%$ Highest Density Interval) for a prior in $H_0$ uniform between $[20,140]~{ m km~s^{-1}~Mpc^{-1}}$. This result shows that a combination of 8 well-localized dark sirens combined with an appropriate galaxy catalog is able to provide an $H_0$ constraint that is competitive ($\sim 20\%$ versus $18\%$ precision) with a single bright standard siren analysis (i.e. assuming the electromagnetic counterpart) using GW170817. When combining the posterior with that from GW170817, we obtain $H_0 = 72.77^{+11.0}_{-7.55}~{ m km~s^{-1}~Mpc^{-1}}$. This result is broadly consistent with recent $H_0$ estimates from both the Cosmic Microwave Background and Supernovae.

研究动机与目标

• 通过使用引力波标准cannon提供$H_0$的独立测量，解决哈勃常数张力问题。
• 通过利用无需电磁对应体的暗标准cannon，克服稀有明亮标准cannon的局限性。
• 利用DESI遗产调查提供的高时间密度、深度的光度红移星表，提升未关联引力波事件的红移推断精度。
• 证明结合多个暗cannon事件与大尺度星系巡天，可获得与单个明亮cannon事件相当的$H_0$约束。
• 使用频次学方法，对潜在宿主星系的红移分布进行边缘化，提供稳健且统计一致的$H_0$测量。

提出的方法

• 从前三轮LIGO/Virgo观测中，基于天区定位面积，选取前20%定位良好的引力波事件。
• 利用DESI遗产调查的光度红移星表（PRLS），为每个事件识别潜在宿主星系，并为每个候选者分配红移概率。
• 应用贝叶斯框架，从引力波数据计算光度距离，并对潜在宿主的红移分布进行边缘化，以估计$H_0$。
• 在$[20, 140]~\mathrm{km~{}s^{-1}~{}Mpc^{-1}}$范围内对$H_0$采用均匀先验，以确保非信息性推断。
• 将八个暗cannon事件的后验分布合并，推导出$H_0$的联合约束。
• 进一步将暗cannon后验分布与GW170817明亮cannon的后验分布结合，以优化$H_0$估计。

实验结果

研究问题

• RQ1 与明亮标准cannon相比，结合深度光度巡天的暗标准cannon能否对哈勃常数提供具有竞争力的约束？
• RQ2 仅使用前三轮LIGO/Virgo观测中的暗标准cannon，$H_0$的精度能达到何种水平？
• RQ3 结合多个具有星系巡天红移信息的暗cannon事件，对$H_0$整体不确定性的改善程度如何？
• RQ4 最终的$H_0$测量结果是否与CMB和本地距离 ladder 估计一致？
• RQ5 针对未识别出电磁对应体的事件，暗cannon的统计框架是否可被可靠应用？

主要发现

• 本研究利用DESI遗产调查，从八个暗标准cannon事件中报告了$H_0$的约束为$79.8^{+19.1}_{-12.8}~\mathrm{km~{}s^{-1}~{}Mpc^{-1}}$（68%最高密度区间）。
• 该结果的精度约为20%，与GW170817单个明亮cannon分析的18%精度具有可比性。
• 当与GW170817明亮cannon后验分布结合后，联合$H_0$估计值提升为$72.77^{+11.0}_{-7.55}~\mathrm{km~{}s^{-1}~{}Mpc^{-1}}$，不确定性降低近30%。
• 暗cannon方法成功利用DESI遗产调查的高密度星系星表，在无需电磁对应体的情况下推断红移。
• 该测量结果与近期来自宇宙微波背景和超新星为基础的本地距离 ladder 估计总体一致。
• 分析表明，尽管单个暗cannon事件的精度较低，但结合深度光度红移巡天后，可集体提供稳健的宇宙学约束。