[论文解读] Cosmography with bright and Love sirens

Arnab Dhani, Ssohrab Borhanian+2 more|arXiv (Cornell University)|Dec 26, 2022

Pulsars and Gravitational Waves Research被引用 9

一句话总结

本文研究了利用双中子星并合产生的引力波‘明亮标准汽笛’进行宇宙学测束，比较了两种红移测量方法：电磁对应体（如千新星、伽马射电暴）与并合后波形中的潮汐洛夫数。结果表明，对应体方法可实现H₀的亚百分之一精度和Ωₘ的百分之一精度水平，而无对应体方法对其他宇宙学参数的精度也达到亚百分之一水平，且并合后信号对这些约束的贡献可忽略不计。

ABSTRACT

Precision cosmology is crucial to understand the different energy components in the Universe and their evolution through cosmic time. Gravitational wave sources are standard sirens that can accurately map out distances in the Universe. Together with the source redshift information, we can then probe the expansion history of the Universe. We explore the capabilities of various gravitational-wave detector networks to constrain different cosmological models while employing separate waveform models for inspiral and post-merger part of the gravitational wave signal from equal mass binary neutron stars. We consider two different avenues to measure the redshift of a gravitational-wave source: first, we examine an electromagnetic measurement of the redshift via either a kilonova or a gamma ray burst detection following a binary neutron star merger (the electromagnetic counterpart method); second, we estimate the redshift from the gravitational-wave signal itself from the adiabatic tides between the component stars characterized by the tidal Love number, to provide a second mass-scale and break the mass-redshift degeneracy (the counterpart-less method). We find that the electromagnetic counterpart method is better suited to measure the Hubble constant while the counterpart-less method places more stringent bounds on other cosmological parameters. In the era of next-generation gravitational-wave detector networks, both methods achieve sub-percent measurement of the Hubble constant $H_0$ after one year of observations. The dark matter energy density parameter $Ω_{ m M}$ in the $Λ$CDM model can be measured at percent-level precision using the counterpart method, whereas the counterpart-less method achieves sub-percent precision. We, however, do not find the postmerger signal to contribute significantly to these precision measurements.

研究动机与目标

• 评估利用双中子星并合产生的引力波‘明亮标准汽笛’可实现的宇宙学测束。
• 比较两种红移测量技术的性能：电磁对应体与并合后波形中的潮汐洛夫数。
• 评估并合后引力波信号对宇宙学参数估计的贡献。
• 确定在下一代探测网络中，使用两种方法对H₀与Ωₘ测量的相对精度。
• 研究核物态方程（EoS）不确定性对无对应体方法中红移估计的影响。

提出的方法

• 为等质量双中子星的旋近阶段与并合后阶段分别使用波形模型。
• 通过结合引力波测得的光度距离与千新星或伽马射电暴探测得到的红移，采用电磁对应体方法。
• 采用无对应体方法，利用绝热潮汐可变形性（洛夫数）在无电磁数据情况下打破质量-红移退化。
• 采用Soultanis等人的解析并合后模型，包含四个准正规模，描述并合后信号。
• 对并合后模态频率作为总质量函数的拟合采用二次函数：f_spiral, f_2-0, f_2+0。
• 通过费舍尔矩阵分析，预测先进及下一代探测网络的宇宙学参数测束。

实验结果

研究问题

• RQ1 与电磁对应体方法相比，潮汐洛夫数方法能否提供具有竞争力的宇宙学测束？
• RQ2 使用每种红移测定方法时，H₀与Ωₘ测量的相对精度如何？
• RQ3 并合后引力波信号在多大程度上改善了宇宙学参数估计？
• RQ4 对核物态方程的先验知识如何影响无对应体方法中的红移估计？
• RQ5 在下一代探测器时代，是否任一方法均可实现H₀的亚百分之一精度？

主要发现

• 在下一代探测器网络中，仅经过一年观测，电磁对应体方法即可实现对哈勃常数H₀的亚百分之一精度测量。
• 无对应体方法在ΛCDM模型中对暗物质能量密度参数Ωₘ的测量精度达到亚百分之一水平。
• 尽管并合后信号持续时间长且结构复杂，其对宇宙学参数测束的贡献可忽略不计。
• 哈勃常数H₀的最佳测量方法是电磁对应体方法，该方法无需事先知道核物态方程。
• 无对应体方法由于能通过潮汐可变形性打破质量-红移退化，对除H₀外的宇宙学参数（特别是Ωₘ）提供更紧的约束。
• 本研究假设附近事件可校准核物态方程，从而最小化其对遥远源宇宙学参数估计的影响。