[论文解读] Determining the Hubble constant from gravitational wave observations of merging compact binaries

S. Nissanke, D. E. Holz+4 more|arXiv (Cornell University)|Jul 10, 2013

Pulsars and Gravitational Waves Research参考文献 14被引用 26

一句话总结

本文提出结合中子星双星并合的引力波（GW）观测与电磁（EM）对应体——如短伽马射线暴和千新星——作为“标准音源”来直接测量哈勃常数。通过利用引力波波形得到的绝对距离和电磁信号获得的红移，作者表明，15次联合GW-EM事件可实现$H_0$的5%精度测量，而30次定向事件可实现优于1%的精度，为宇宙学无关的哈勃常数测量提供了一种独立于距离阶梯的替代方法。

ABSTRACT

Recent observations have accumulated compelling evidence that some short gamma-ray bursts (SGRBs) are associated with the mergers of neutron star (NS) binaries. This would indicate that the SGRB event is associated with a gravitational-wave (GW) signal corresponding to the final inspiral of the compact binary. In addition, the radioactive decay of elements produced in NS binary mergers may result in transients visible in the optical and infrared with peak luminosities on hours-days timescales. Simultaneous observations of the inspiral GWs and signatures in the electromagnetic band may allow us to directly and independently determine both the luminosity distance and redshift to a binary. These standard sirens (the GW analog of standard candles) have the potential to provide an accurate measurement of the low-redshift Hubble flow. In addition, these systems are absolutely calibrated by general relativity, and therefore do not experience the same set of astrophysical systematics found in traditional standard candles, nor do the measurements rely on a distance ladder. We show that 15 observable GW and EM events should allow the Hubble constant to be measured with 5% precision using a network of detectors that includes advanced LIGO and Virgo. Measuring 30 beamed GW-SGRB events could constrain H_0 to better than 1%. When comparing to standard Gaussian likelihood analysis, we find that each event's non-Gaussian posterior in H_0 helps reduce the overall measurement errors in H_0 for an ensemble of NS binary mergers.

研究动机与目标

• 开发一种利用致密双星并合的联合引力波与电磁观测直接测量哈勃常数$H_0$的方法。
• 评估基于GW-EM多信使事件的标准音源技术对$H_0$约束精度的水平。
• 评估单个事件中$H_0$后验分布的非高斯性对整体集合测量精度的影响。
• 确定在先进LIGO–Virgo网络下，实现$H_0$ 1%精度测量所需的可观测GW-EM事件数量。
• 提供一种宇宙学无关的哈勃常数测量替代方案，减少传统距离阶梯中天体物理系统误差的影响。

提出的方法

• 利用广义相对论建模旋进中子星双星的引力波信号，独立于宇宙学假设提取视星等距离。
• 利用电磁对应体——特别是短伽马射线暴和千新星——测量源的红移，从而通过$H_0 = c z / d_L$确定哈勃常数。
• 结合GW获得的视星等距离与EM获得的红移，形成标准音源测量，该方法由广义相对论校准，且免受传统距离阶梯系统误差的影响。
• 模拟单个事件中$H_0$的后验分布，并通过统计方法组合以评估整体精度，同时考虑非高斯误差分布的影响。
• 在不同并合率假设和探测器网络配置下，预测实现$H_0$ 5%和1%精度所需的可观测事件数量。
• 利用群体合成模型和观测到的双星脉冲星率，估算现实事件率及其对测量时间尺度的影响。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何利用中子星双星并合的联合引力波与电磁观测精确测量哈勃常数？
• RQ2 实现$H_0$ 1%精度测量所需的最少多信使事件数量是多少？
• RQ3 单个事件中$H_0$后验分布的非高斯性如何影响集合组合后的整体测量精度？
• RQ4 探测器网络灵敏度和源定向发射特性（如GRB束流）如何影响可观测事件数量和测量精度？
• RQ5 标准音源能否提供一种宇宙学无关的$H_0$测量方法，从而避免宇宙距离阶梯中的系统误差？

主要发现

• 在包含先进LIGO和Virgo的网络下，15次可观测的GW-EM事件即可实现$H_0$ 5%精度的测量。
• 30次定向的GW-短伽马射电暴（SGRB）事件可使$H_0$的约束精度优于1%，提供极具竞争力的测量结果。
• 单个事件中$H_0$后验分布的非高斯性在集合组合中会降低整体测量误差，使精度超越高斯近似。
• 实现$H_0$ 1%测量的时间尺度关键取决于不确定的中子星并合率，估计范围从数月到十年不等，但约一年的中位数时间是合理的。
• 标准音源提供了与传统方法截然不同的系统误差集合，使其成为测试宇宙学模型（包括暗能量状态方程）的宝贵独立探针。
• 将1%精度的$H_0$测量与高精度宇宙微波背景（CMB）数据结合，可将暗能量状态方程$w$的约束精度提升至约10%，从而可能对宇宙学常数模型提出可证伪的检验。