[论文解读] Gravitational wave cosmology and astrophysics with large spectroscopic galaxy surveys

A. Palmese, Or Graur+13 more|arXiv (Cornell University)|Mar 12, 2019

Pulsars and Gravitational Waves Research参考文献 45被引用 8

一句话总结

本文提出利用大型光谱星系巡天（如DESI）通过引力波“标准汽笛”实现精确的宇宙学测量，特别是独立于传统方法估算哈勃常数 $H_0$。通过结合宿主星系的光谱红移与引力波数据，该方法有望在未来十年内将 $H_0$ 测量精度提升至 $\sim1\!-\!2\%$，解决当前的 $H_0$ 矛盾，并实现对暗能量和致密天体形成过程的模型无关约束。

ABSTRACT

During the next decade, gravitational waves will be observed from hundreds of binary inspiral events. When the redshifts of the host galaxies are known, these events can be used as `standard sirens', sensitive to the expansion rate of the Universe. Measurements of the Hubble constant $H_0$ from standard sirens can be done independently of other cosmological probes, and events occurring at $z<0.1$ will allow us to infer $H_0$ independently of cosmological models. The next generation of spectroscopic galaxy surveys will play a crucial role in reducing systematic uncertainties in $H_0$ from standard sirens, particularly for the numerous `dark sirens' which do not have an electromagnetic counterpart. In combination with large spectroscopic data sets, standard sirens with an EM counterpart are expected to constrain $H_0$ to $\sim 1-2\%$ precision within the next decade. This is competitive with the best estimates of $H_0$ obtained to date and will help illuminate the current tension between existing measurements. Information on the galaxies that host the gravitational wave events will also shed light on the origin and evolution of compact object binaries.

研究动机与目标

• 通过引力波‘标准汽笛’解决CMB与本地距离阶梯测量之间 $H_0$ 矛盾的问题。
• 通过利用大型星系巡天（尤其是DESI BGS）提供的精确光谱红移，降低 $H_0$ 估计中的系统误差，尤其针对无电磁对应体的‘暗汽笛’事件。
• 在结合宇宙学巡天的基础上，利用高红移（$z > 0.1$）的标准汽笛实现对宇宙学参数（包括暗能量）的模型无关约束。
• 通过将引力波并合的空间分布与光谱巡天的星系星表交叉相关，改善对致密双星形成机制的理解。
• 通过提供深度、大范围的星系星表，支持未来引力波实验（如LISA、ET、CE）的宿主星系识别与宇宙学推断。

提出的方法

• 利用大型巡天（如DESI BGS）的光谱红移数据确定引力波宿主星系的红移 $z$，通过 $cz = H_0 D$ 实现 $H_0$ 的精确估计。
• 对具有电磁对应体的明亮汽笛事件应用标准汽笛方法，其中距离 $D$ 由引力波振幅推导，红移 $z$ 由光谱测量获得。
• 通过在引力波定位区域内使用星系星表，利用与星系密度场的交叉相关，对暗汽笛事件进行统计推断以估计红移。
• 结合高精度的光度红移与光谱红移，以减轻系统误差，尤其当暗汽笛的统计不确定性接近 $\sim10\%$ 时。
• 通过将引力波并合星表与光谱星系巡天交叉相关，区分双黑洞的形成机制（如孤立形成与动力学形成）。
• 利用DESI等巡天提供的星表，为未来LISA、ET和CE探测到的引力波事件实现宿主星系识别，将宇宙学探测范围扩展至 $z \sim 1$。

实验结果

研究问题

• RQ1 通过光谱测量红移的引力波事件所获得的标准汽笛，能否提供独立于CMB与标准烛光方法的 $H_0$ 测量？
• RQ2 光谱星系巡天在多大程度上可降低无电磁对应体的‘暗汽笛’事件中 $H_0$ 估计的系统误差？
• RQ3 如何通过引力波并合空间分布与星系星表的交叉相关，区分双黑洞的不同形成通道？
• RQ4 在未来的光谱巡天支持下，对 $z \lesssim 0.1$ 的明亮汽笛事件，可实现多高的 $H_0$ 测量精度？
• RQ5 当与宇宙学巡天结合时，$z > 0.1$ 的标准汽笛能否提供对暗能量的模型无关约束？

主要发现

• 利用DESI等巡天的光谱红移数据，具有电磁对应体的标准汽笛可在未来十年内将 $H_0$ 的测量精度控制在 $\sim1\!-\!2\%$ 以内。
• 对于 $z \lesssim 0.1$ 的红移范围，可通过线性关系 $cz = H_0 D$ 独立于宇宙学模型估计 $H_0$，实现模型无关的 $H_0$ 测量。
• 无电磁对应体的‘暗汽笛’事件在结合约100个定位良好的事件与光度红移后，可实现 $\sim5\%$ 的统计不确定性，但必须依赖光谱红移才能将系统误差降至 $\sim10\%$ 以下。
• 光谱红移在减轻 $H_0$ 估计中的系统误差方面至关重要，尤其当暗汽笛的统计不确定性接近 $\sim10\%$ 时。
• 将引力波星表与类似DESI的星系巡天交叉相关，可通过分析空间聚集模式区分双黑洞的形成机制。
• 大型光谱巡天（如DESI）将为未来引力波实验（LISA、ET、CE）提供关键的宿主星系星表，使宇宙学推断可延伸至 $z \sim 1$。