[论文解读] Impact of calibration uncertainties on Hubble constant measurements from gravitational-wave sources

Y. Huang, Hsin-Yu Chen+4 more|arXiv (Cornell University)|Apr 7, 2022

Pulsars and Gravitational Waves Research被引用 5

一句话总结

本研究调查了LIGO-Virgo探测器中仪器校准误差（CEs）对基于引力波的哈勃常数（$H_0$）测量的影响，方法是利用设计灵敏度下的双中子星并合事件进行模拟。研究发现，尽管单个事件对典型校准误差仍具鲁棒性，但当40个以上源受到极端且相关的校准误差影响时，系统性偏差会累积，可能导致真实$H_0$值被排除在90%可信区间之外。

ABSTRACT

Gravitational-wave (GW) detections of electromagnetically bright compact binary coalescences can provide an independent measurement of the Hubble constant $H_0$. In order to obtain a measurement that could help arbitrate the existing tension on $H_0$, one needs to fully understand any source of systematic biases for this approach. In this study, we aim to understand the impact of instrumental calibration errors (CEs) on the measurements of the luminosity distance, $D_L$, and the inferred $H_0$ value. We simulate binary neutron star mergers (BNSs), as detected by a network of Advanced LIGO and Advanced Virgo interferometers at their design sensitivity. We artificially add CEs equal to exceptionally large values experienced in LIGO-Virgo's third observing run (O3). We find that for individual BNSs at a network signal-to-noise ratio of 50, the systematic errors on $D_L$ - and hence $H_0$ - are still smaller than the statistical uncertainties. The biases become more significant when we combine multiple events to obtain a joint posterior on $H_0$. In the rather unrealistic case that the data around each detection is affected by the same CEs corresponding to the worst offender of O3, the true $H_0$ value would be excluded from the 90% credible interval after we combine $\sim$40 sources. If instead, 10% of the sources suffer from severe CEs, the true value of $H_0$ is included in the 90% credible interval even after 100 sources.

研究动机与目标

• 评估仪器校准误差（CEs）对视差距离（$D_L$）和哈勃常数（$H_0$）测量的影响。
• 评估CEs是否可能引入系统性偏差，从而损害使用明亮火流星法测量$H_0$的精度与可靠性。
• 确定在何种条件下CEs可能导致真实$H_0$值在合并多个引力波事件时被排除在可信区间之外。
• 比较在极端校准误差情景下，不同校准建模技术（PhysiCal与Spline）的表现。

提出的方法

• 在设计灵敏度下，对由Advanced LIGO和Advanced Virgo干涉仪网络探测到的双中子星（BNS）并合事件进行模拟。
• 注入人为设定的大型校准误差（CEs），其数值与LIGO-Virgo第三轮观测（O3）期间观测到的最坏情况一致。
• 使用LALInference软件包对模拟数据执行贝叶斯参数估计，基于不同校准误差模型推断$D_L$和$H_0$。
• 比较两种校准建模方法的结果：PhysiCal（基于物理的）与Spline（数据驱动的），以评估系统性差异。
• 通过比较校准错误与正确校准条件下后验分布的差异，量化$D_L$和$H_0$的偏差。
• 通过合并后验分布并评估真实$H_0$值在可信区间内的覆盖情况，评估多个事件中校准误差的累积效应。

实验结果

研究问题

• RQ1 极端校准误差如何影响单个双中子星（BNS）事件的视差距离（$D_L$）推断？
• RQ2 在分析单个引力波事件时，校准误差在多大程度上会偏差哈勃常数（$H_0$）的测量结果？
• RQ3 当合并多个BNS事件以约束$H_0$时，相关校准误差引起的系统性偏差如何累积？
• RQ4 在极端校准误差条件下，不同校准建模技术（如PhysiCal与Spline）对$H_0$推断有何影响？
• RQ5 在何种条件下，由于未建模的校准误差，真实$H_0$值会被排除在90%可信区间之外？

主要发现

• 对于网络信噪比为50的单个BNS事件，校准误差导致的$D_L$和$H_0$系统性偏差小于统计不确定性。
• 当所有40个或更多源均受相同极端校准误差（O3最坏情况）影响时，真实$H_0$值被排除在90%可信区间之外。
• 若仅有10%的源遭受严重校准误差，即使合并100个事件，真实$H_0$值仍保留在90%可信区间内。
• PhysiCal与Spline校准建模方法在$D_L$推断上的差异，远小于极端校准误差所引入的偏差。
• 校准误差导致的$D_L$偏差在不同校准异常情景下范围为-0.8%至+1.0%，其中最大偏差出现在振幅和相位误差中。
• 本研究表明，尽管当前校准误差水平不太可能影响单个$H_0$测量的偏差，但如果未被建模且在事件间相关，则对联合$H_0$推断构成重大风险。