[论文解读] First measurement of the Hubble parameter from bright binary black hole GW190521

Suvodip Mukherjee, Archisman Ghosh+7 more|arXiv (Cornell University)|Sep 29, 2020

Pulsars and Gravitational Waves Research参考文献 9被引用 36

一句话总结

该论文通过明亮的 BBH 事件 GW190521 及候选电磁对应体 ZTF19abanrhr，结合 GW 距离与 EM 红移，测量 H0 并约束 Omega_m 和 w0，同时结合 GW170817 与 VLBI 倾斜信息更新 H0。

ABSTRACT

The Zwicky Transient Facility (ZTF) reported the event "ZTF19abanrhr" as a candidate electromagnetic (EM) counterpart at a redshift $z=0.438$ to the gravitational wave (GW) emission from the binary black hole merger GW190521. Assuming that ZTF19abanrhr is the {\it bona fide} EM counterpart to GW190521, and using the GW luminosity distance estimate from three different waveforms NRSur7dq4, SEOBNRv4PHM, and IMRPhenomPv3HM, we report a measurement of the Hubble constant $H_0= 50.4_{-19.5}^{+28.1}$ km/s/Mpc, $ 62.2_{-19.7}^{+29.5}$ km/s/Mpc, and $ 43.1_{-11.4}^{+24.6}$ km/s/Mpc (median along with $68\%$ credible interval) respectively after marginalizing over matter density $Ω_m$ (or dark energy equation of state $w_0$) assuming the flat LCDM (or wCDM) model. Combining our results with the binary neutron star event GW170817 with its redshift measurement alone, as well as with its inclination angle inferred from Very Large Baseline Interferometry (VLBI), we find $H_0= 67.6_{-4.2}^{+4.3}$ km/s/Mpc, $Ω_m= 0.47_{-0.27}^{+0.34}$, and $w_0= -1.17_{-0.57}^{+0.68}$ (median along with $68\%$ credible interval) providing the most stringent measurement on $H_0$ and the first estimation on $Ω_m$ and $w_0$ from bright standard siren. In the future, $1.3\%$ measurement of $H_0=68$ km/s/Mpc and $28\%$ measurement of $w_0=-1$ is possible from about $200$ GW190521-like sources.

研究动机与目标

• 激励并评估使用具有电磁对应体的 BBH 合并引力波标准致动源来测量宇宙学参数的可行性。
• 通过在 LCDM 和 wCDM 模型下，将 GW 光度距离与 EM 红移数据结合，使用贝叶斯推断来计算 H0、Omega_m 和 w0。
• 通过包含多种 GW 波形和额外事件（GW170817、VLBI 倾斜）来改进对宇宙学的约束。
• 探索前景并预测未来的 BBH+EM 标准致动源如何收紧宇宙学约束。

提出的方法

• 使用贝叶斯定理从 GW 光度距离和 EM 红移数据推断宇宙学参数 Theta_c。
• 在 LCDM 或 wCDM 模型下，对 d_l 进行边际化处理，使用先验对 Omega_m 或 w0 进行边际化。
• 分析三组数据集合（D1、D2、D3）与三种 GW 波形（SEOBNRv4PHM、NRSur7dq4、IMRPhenomPv3HM）。
• 将 GW170817 与 VLBI 倾斜信息纳入，以改进 H0 的估计。
• 给出在不同模型/数据组合下的 H0、Omega_m 和 w0 的后验分布。

实验结果

研究问题

• RQ1 一个明亮 BBH 事件及其电磁对应体是否能利用标准致动源方法约束哈勃常数？
• RQ2 不同的 GW 波形如何影响从 GW190521+ZTF19abanrhr 推断的 H0 与宇宙学参数？
• RQ3 纳入 GW170817 与 VLBI 倾斜对联合宇宙学约束有何影响？
• RQ4 未来类似 GW190521 的事件在 H0、Omega_m 与 w0 上能达到何种精度？
• RQ5 来自 BBH 标准致动源的结果是否在不确定性内与 Planck 或 SH0ES 的测量一致？

主要发现

• 从 GW190521+ZTF19abanrhr 的 H0 估计因波形而异：62.2+29.5-19.7、50.4+28.1-19.5、以及 43.1+24.6-11.4 km/s/Mpc（D1a、D1b、D1c）。
• 与 GW170817 结合在 NRSur7dq4 的情况下得到 H0 = 69.1-5.8+9.4 km/s/Mpc；VLBI 倾斜进一步收紧至 H0 = 67.6+4.3-4.2 km/s/Mpc（D3b）。
• 来自 D3b 的联合约束给出 Omega_m = 0.47-0.27+0.34 和 w0 = -1.17-0.57+0.68，作为这些参数的第一批标准致动源时代的限制。
• 测得的 H0 与 Planck 结果基本一致，在 SH0ES 的作用下约差 1.6 个标准偏差；该工作首次给出来自明亮标准致动源的 Omega_m 与 w0 的约束。
• 预测在 ~200 个具有电磁对应体的 GW190521 式源下，H0 的精度约为 1.3%，w0 的精度约为 28%。
• 分析显示明亮的 BBH 合并与电磁对应体在高红移探测宇宙学的潜力。