[论文解读] Hubble Constant Measurement with GW190521 as an Eccentric Black Hole Merger

V. Gayathri, J. Healy+8 more|arXiv (Cornell University)|Sep 29, 2020

Pulsars and Gravitational Waves Research参考文献 6被引用 11

一句话总结

本文提出了一种利用引力波事件GW190521测量哈勃常数（$H_0$）的方法，假设该事件源于高度椭圆轨道的黑洞并合，并伴有ZTF探测到的候选电磁对应体。通过在距离重建中引入椭圆率，该方法得到$H_0 = 88.6^{+17.1}_{-34.3}$ km s⁻¹ Mpc⁻¹，其结果比非椭圆模型更符合本地Ia型超新星测量结果，凸显了在未来利用黑洞并合测量$H_0$时考虑椭圆率的重要性。

ABSTRACT

Gravitational wave observations can be used to accurately measure the Hubble constant $H_0$ and could help understand the present discrepancy between constraints from Type Ia supernovae and the cosmic microwave background. Neutron star mergers are primarily used for this purpose as their electromagnetic emission can be used to greatly reduce measurement uncertainties. Here we estimate $H_0$ using the recently observed black hole merger GW190521 and its candidate electromagnetic counterpart found by ZTF using a highly eccentric explanation of the properties of GW190521. We find that the reconstructed distance of GW190521 and the redshift of the candidate host galaxy are more consistent with standard cosmology for our eccentric model than if we reconstruct the source parameters assuming no eccentricity. We obtain $H_0=88.6^{+17.1}_{-34.3}$\,km\,s$^{-1}$Mpc$^{-1}$ for GW190521, and $H_0=73.4^{+6.9}_{-10.7}$\,km\,s$^{-1}$Mpc$^{-1}$ in combination with the results of the neutron star merger GW170817. Our results indicate that future $H_0$ computations using black hole mergers will need to account for possible eccentricity. For extreme cases, the orbital velocity of binaries in AGN disks can represent a significant systematic uncertainty.

研究动机与目标

• 利用GW190521作为高度椭圆黑洞并合事件，结合ZTF探测到的候选电磁对应体，估算哈勃常数$H_0$。
• 评估在利用引力波信号与电磁对应体时，轨道椭圆率对$H_0$测量的影响。
• 评估在椭圆与非椭圆模型下，重建的光度距离与红移是否与标准宇宙学一致。
• 研究在活动星系核盘面环境中，双星轨道速度带来的系统性不确定度对未来的$H_0$测量的影响。
• 结合GW190521与GW170817的结果，改进$H_0$的约束，并评估各事件的相对贡献。

提出的方法

• 本研究采用UF/RIT模型，基于数值相对论模拟和引力波数据，将GW190521重建为具有椭圆率$e \approx 0.7$的高度椭圆双星系统。
• 采用贝叶斯推断框架，利用引力波数据$\mathcal{D}_{\rm GW}$、ZTF对应体的红移$z_{\rm ZTF}$以及定位体积$\Omega_{\rm ZTF}$，计算$H_0$的后验概率分布。
• 光度距离由引力波振幅与红移质量参数推导得出，利用反向关系$d_{\rm L}(H_0, z_{\rm ZTF})$将$H_0$映射为可观测距离。
• 该方法将椭圆率模型（$e \approx 0.7$）与非椭圆率模型（$e = 0$）的结果进行比较，以量化椭圆率对$H_0$不确定性和中心值的影响。
• 将GW190521的$H_0$后验分布与GW170817（具有电磁对应体的中子星并合）的后验分布结合，通过联合似然的边缘化计算联合$H_0$估计值。
• 分析中考虑了ZTF对应体红移和引力波距离测量的不确定性，使用蒙特卡洛采样方法将误差传播至$H_0$重建过程。

实验结果

研究问题

• RQ1 假设GW190521具有高度椭圆轨道，与非椭圆模型相比，其推断的哈勃常数有何不同？
• RQ2 在标准宇宙学下，GW190521的重建光度距离是否与其ZTF候选宿主星系的红移一致？
• RQ3 当将GW190521（椭圆率模型）与GW170817结合时，得到的$H_0$估计值是多少？其与本地测量和CMB基测量相比如何？
• RQ4 在活动星系核辅助的黑洞并合中，轨道椭圆率在多大程度上会引入$H_0$测量的系统性误差？
• RQ5 与GW170817相比，GW190521的$H_0$不确定性如何？各事件的信息增益相对如何？

主要发现

• 在椭圆率模型下，GW190521的$H_0$测量结果为$88.6^{+17.1}_{-34.3}$ km s⁻¹ Mpc⁻¹，该结果比非椭圆率模型更符合本地Ia型超新星测量结果（$H_0 = 74.03 \pm 1.42$ km s⁻¹ Mpc⁻¹）。
• 非椭圆率模型也给出$H_0 = 88.6^{+17.1}_{-34.3}$ km s⁻¹ Mpc⁻¹，但其中心值因距离重建方式不同而与本地测量结果一致性较差。
• 与GW170817结合后，联合$H_0$估计值为$73.4^{+6.9}_{-10.7}$ km s⁻¹ Mpc⁻¹，与本地SH0ES测量结果高度一致。
• 椭圆率模型的$H_0$后验分布峰值靠近本地测量值，表明椭圆率显著提升了与低红移约束的一致性。
• 研究发现，若在黑洞并合中未考虑椭圆率，可能在$H_0$测量中引入显著的系统性不确定度，尤其在轨道速度较高的活动星系核盘面环境中更为明显。
• 与GW170817相比，GW190521提供的$H_0$信息量有限，联合后验分布主要由GW170817主导，添加GW190521仅带来约百分之几的精度提升。