[论文解读] Cosmology with Love: Measuring the Hubble constant using neutron star universal relations

Deep Chatterjee, Abhishek Hegade K. R.+5 more|arXiv (Cornell University)|Jun 11, 2021

Pulsars and Gravitational Waves Research参考文献 66被引用 50

一句话总结

本文提出一种新颖方法，仅利用双中子星并合产生的引力波测量哈勃常数（H₀），无需依赖电磁对应体。通过利用与方程态无关的双星洛伊关系，打破引力波数据中的质量-红移退化问题，该方法可直接推断红移并估算H₀。在LIGO Voyager时代，利用约O(10²)个事件可实现约10%的精度；在宇宙探索者（Cosmic Explorer）时代，利用约O(10³)个事件可实现约2%的精度，为标准siren宇宙学提供一种有前景的暗siren替代方案。

ABSTRACT

Gravitational-wave cosmology began in 2017 with the observation of the gravitational waves emitted in the merger of two neutron stars, and the coincident observation of the electromagnetic emission that followed. Although only a $30\%$ measurement of the Hubble constant was achieved, future observations may yield more precise measurements either through other coincident events or through cross correlation of gravitational-wave events with galaxy catalogs. Here, we implement a new way to measure the Hubble constant without an electromagnetic counterpart and through the use of the binary Love relations. These relations govern the tidal deformabilities of neutron stars in an equation-of-state insensitive way. Importantly, the Love relations depend on the component masses of the binary in the source frame. Since the gravitational-wave phase and amplitude depend on the chirp mass in the observer (and hence redshifted) frame, one can in principle combine the binary Love relations with the gravitational-wave data to directly measure the redshift, and thereby infer the value of the Hubble constant. We implement this approach in both real and synthetic data through a Bayesian parameter estimation study in a range of observing scenarios. We find that for the LIGO/Virgo/KAGRA design sensitivity era, this method results in a similar measurement accuracy of the Hubble constant to those of current-day, dark-siren measurements. For third generation detectors, this accuracy improves to $\lesssim 10\%$ when combining measurements from binary neutron star events in the LIGO Voyager era, and to $\lesssim 2\%$ in the Cosmic Explorer era.

研究动机与目标

• 开发一种利用双中子星并合引力波进行宇宙距离-红移测量的技术，无需电磁对应体。
• 通过利用与方程态无关的潮汐形变展开系数之间普遍关系，克服标准siren宇宙学中的质量-红移退化问题。
• 仅通过引力波数据固定先前观测得到的普遍系数¯λ(0)₀并叠加多个事件，实现H₀估算。
• 评估该方法在不同探测器灵敏度时代（从LIGO/Virgo/KAGRA到宇宙探索者）的精度与系统性不确定性。

提出的方法

• 该方法使用普遍双星洛伊关系（YY17），将对潮汐形变展开系数¯λ(0)₀与¯λ(k)₀关联起来，这些系数对中子星方程态不敏感。
• 通过贝叶斯参数估计对GW170817数据进行处理，利用与LIGO/Virgo和NICER约束一致的方程态构建的关系，测量系数¯λ(0)₀。
• 对于未来事件，使用固定的¯λ(0)₀值，通过引力波相位推断源系质量，打破红移-质量退化，实现红移与H₀估算。
• 该方法结合不同探测器灵敏度时代（HLVKI、Voyager、宇宙探索者）的多个模拟双中子星事件数据，以提高统计精度。
• 全程使用贝叶斯推断估算H₀的后验分布，同时考虑普遍关系与¯λ(0)₀测量中的不确定性。
• 量化了对¯λ(0)₀−¯λ(k)₀关系不完全了解及¯λ(0)₀测量带来的系统性不确定性，以评估其对最终H₀精度的影响。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否仅利用普遍关系与引力波，无需电磁对应体，单独测量哈勃常数？
• RQ2 在不同代际引力波探测器中，利用双星洛伊关系能多精确地估算H₀？
• RQ3 普遍关系与¯λ(0)₀测量中的系统性不确定性对H₀推断有何影响？
• RQ4 未来探测网络中需要多少个双中子星事件才能实现H₀精度低于10%？
• RQ5 叠加多个暗siren事件能否实现收敛的H₀测量，使其与真实值一致？

主要发现

• 在LIGO/Virgo/KAGRA/印度设计灵敏度时代，该方法的H₀测量精度与当前暗siren测量相当，精度约为10%。
• 在LIGO Voyager时代，结合约O(10²)个双中子星事件，可将H₀不确定性降低至∼10%。
• 在宇宙探索者时代，叠加约O(10³)个事件，可实现约2%精度的H₀测量。
• 该方法的精度受限于普遍关系与¯λ(0)₀测量中的系统性不确定性，必须加以控制才能实现低于2%的精度。
• 贝叶斯参数估计框架通过叠加成功恢复了真实H₀值，证明了该方法在多个事件中具有收敛性。
• 该方法通过消除对电磁对应体的需求，为标准siren宇宙学提供了一种可行的替代方案，增强了H₀测量的鲁棒性。