[论文解读] Cosmology using advanced gravitational-wave detectors alone

Ilya Mandel, Stephen R. Taylor+1 more|arXiv (Cornell University)|Aug 1, 2011

Pulsars and Gravitational Waves Research参考文献 57被引用 184

一句话总结

本文提出利用先进LIGO/Virgo探测到的双中子星并合产生的引力波信号作为标准 sirens，仅通过引力波数据测量哈勃常数和中子星质量函数，无需依赖电磁对应体。通过利用中子星固有质量分布的狭窄特性，作者表明，若质量分布宽度≤0.04 M⊙，约100次探测即可将H₀的约束精度控制在±10%以内，证明了仅凭引力波数据即可实现宇宙学测量。

ABSTRACT

We investigate a novel approach to measuring the Hubble constant using gravitational-wave (GW) signals from compact binaries by exploiting the narrowness of the distribution of masses of the underlying neutron-star population. Gravitational-wave observations with a network of detectors will permit a direct, independent measurement of the distance to the source systems. If the redshift of the source is known, these inspiraling double-neutron-star binary systems can be used as standard sirens to extract cosmological information. Unfortunately, the redshift and the system chirp mass are degenerate in GW observations. Thus, most previous work has assumed that the source redshift is obtained from electromagnetic counterparts. In this paper, we explore what we can learn about the background cosmology and the mass distribution of neutron stars from the set of neutron-star (NS) mergers detected by such a network. We use a Bayesian formalism to analyze catalogs of NS-NS inspiral detections. We find that it is possible to constrain the Hubble constant, H_0, and the parameters of the NS mass function using gravitational-wave data alone, without relying on electromagnetic counterparts. Under reasonable assumptions, we will be able to determine H_0 to +/- 10% using ~100 observations, provided the Gaussian half-width of the underlying double NS mass distribution is less than 0.04 solar masses. The expected precision depends linearly on the intrinsic width of the NS mass function, but has only a weak dependence on H_0 near the default parameter values. Finally, we consider what happens if, for some fraction of our data catalog, we have an electromagnetically measured redshift. The detection, and cataloging, of these compact-object mergers will allow precision astronomy, and provide a determination of H_0 which is independent of the local distance scale.

研究动机与目标

• 开发一种仅利用双中子星并合引力波数据测量宇宙学参数的方法。
• 确定是否可在不依赖电磁红移测量的情况下约束哈勃常数。
• 评估中子星固有质量分布宽度对宇宙学参数估计的影响。
• 评估将引力波星表作为独立宇宙学探针的可行性。

提出的方法

• 采用贝叶斯形式化方法分析双中子星旋近引力波探测星表。
• 以引力波信号的光度距离和红移后 chirp 质量作为主要可观测量。
• 引入参数化中子星质量函数模型，以均值和宽度作为自由参数。
• 对质量分布宽度施加先验，以惩罚偏离真实分布的模型。
• 利用给定宇宙学模型中的距离-红移关系，将光度距离与红移关联。
• 对模拟星表进行参数估计，以量化对H₀和质量函数参数的精度。

实验结果

研究问题

• RQ1 是否可仅利用双中子星并合的引力波数据（无需电磁对应体）测量哈勃常数？
• RQ2 H₀估计的精度如何随探测事件数和中子星质量函数固有宽度的变化而变化？
• RQ3 在现实假设下，达到H₀精度±10%所需的最少探测次数是多少？
• RQ4 对部分事件引入电磁红移测量，如何改善宇宙学约束？

主要发现

• 若中子星固有质量分布的高斯半宽≤0.04 M⊙，约100次引力波探测双中子星并合可将哈勃常数约束在±10%以内。
• H₀估计精度与中子星质量函数固有宽度呈线性关系，但对标准宇宙学参数附近的真H₀值仅表现出微弱依赖性。
• 该方法可仅凭引力波数据实现独立的宇宙学测量，无需依赖电磁红移。
• 即使仅少数事件具备电磁红移测量，也能显著提升H₀和质量函数约束的精度。
• 只要距离-红移关系建模良好，该方法对宇宙学模型的不确定性具有鲁棒性。
• 本研究证明，引力波星表可作为独立的宇宙学探针，具备实现高精度H₀测量的潜力。