[论文解读] Mapping the cosmic expansion history from LIGO-Virgo-KAGRA in synergy with DESI and SPHEREx

Cristina Cigarrán Díaz, Suvodip Mukherjee|arXiv (Cornell University)|Jul 27, 2021

Pulsars and Gravitational Waves Research参考文献 146被引用 59

一句话总结

本文提出一种多信使方法，结合LIGO-Virgo-KAGRA（LVK）探测的引力波（GW）源与光谱星系巡天DESI和SPHEREx，测量宇宙膨胀历史。通过将未关联电磁对应体的暗GW源三维空间分布与星系红移巡天进行交叉相关，可在五年观测内实现约1.5%的哈勃常数H₀精度和约8%的暗能量状态方程参数w₀精度，其中SPHEREx因覆盖更广的天区而优于DESI。

ABSTRACT

The measurement of the expansion history of the Universe from the redshift unknown gravitational wave (GW) sources (dark GW sources) detectable from the network of exttt{LIGO-Virgo-KAGRA} ( exttt{LVK}) detectors depends on the synergy with the galaxy surveys having accurate redshift measurements over a broad redshift range, large sky coverage, and detectability of fainter galaxies. In this work, we explore the possible synergy of the LVK with the spectroscopic galaxy surveys such as exttt{DESI} and exttt{SPHEREx} to measure the cosmological parameters which are related to the cosmic expansion history and the GW bias parameters. We show that by using the three-dimensional spatial cross-correlation between the dark GW sources and the spectroscopic galaxy samples, we can measure the value of Hubble constant with about $2\%$ and $1.5\%$ precision from exttt{LVK+DESI} and exttt{LVK+SPHEREx} respectively within the five years of observation time with $50\%$ duty-cycle. Similarly, the dark energy equation of state can be measured with about $10\%$ and $8\%$ precision from exttt{LVK+DESI} and exttt{LVK+SPHEREx} respectively. We find that due to the large sky coverage of exttt{SPHEREx} than exttt{DESI}, performance in constraining the cosmological parameters is better from the former than the latter. By combining exttt{Euclid} along with exttt{DESI} and exttt{SPHEREx}, a marginal gain in the measurability of the cosmological parameters is possible from the sources at high redshift ($z\geq 0.9$).

研究动机与目标

• 开发一种利用无电磁对应体的暗引力波源测量宇宙学参数的稳健方法。
• 评估LIGO-Virgo-KAGRA（LVK）引力波探测器与即将开展的光谱巡天DESI和SPHEREx之间的协同效应。
• 通过引力波源与星系红移分布的交叉相关，改进对哈勃常数H₀和暗能量状态方程参数w₀的约束。
• 评估巡天覆盖天区和红移深度对宇宙学参数估计的影响。

提出的方法

• 利用LVK探测的暗GW源与DESI和SPHEREx星系样本之间的三维空间交叉相关，推断GW源的聚类红移。
• 采用Bilby软件包进行贝叶斯参数估计，建模GW信号参数（包括距离模量和天区定位），同时考虑非高斯后验分布和参数退化问题。
• 实施一种交叉相关似然框架，将GW事件的空间分布与星系的红移分布关联，实现在无直接电磁对应体情况下的红移推断。
• 对GW源偏差参数建模，以考虑选择效应，并考虑到GW源可能并不完全追踪潜在的暗物质分布。
• 假设五年观测期，50%的运行时间，并基于真实的并合率密度和探测器灵敏度生成模拟GW数据。
• 对GW偏差参数进行边缘化处理，以分离出对H₀和w₀的宇宙学约束，其中Ωₘ保持固定。

实验结果

研究问题

• RQ1 仅使用暗GW源和星系红移巡天，能否实现H₀测量精度低于2%？
• RQ2 H₀和w₀估计的性能如何依赖于星系巡天的覆盖天区和红移深度？
• RQ3 该交叉相关技术能否在无电磁对应体的情况下稳健推断暗GW源的红移？
• RQ4 在通过GW-星系交叉相关约束宇宙学参数方面，SPHEREx相比DESI有何相对优势？
• RQ5 波形建模和仪器校准中的系统误差如何影响最终的宇宙学约束？

主要发现

• LVK与SPHEREx结合，五年观测（50%运行时间）后，哈勃常数H₀的测量精度可达约1.5%。
• LVK+DESI组合的H₀精度约为2%，略低于SPHEREx，原因在于DESI覆盖天区较小。
• 利用LVK+SPHEREx可将暗能量状态方程参数w₀约束在约8%的精度内，而LVK+DESI的精度约为10%。
• SPHEREx在宇宙学参数估计方面优于DESI，主要因其显著更大的天区覆盖，从而增强了交叉相关函数的信噪比。
• 引入Euclid与DESI和SPHEREx结合，对高红移源（z ≥ 0.9）的参数约束有微小改善，表明未来多巡天协同具有潜力。
• 该方法首次实现了对GW偏差参数及其红移依赖性的直接测量，为GW源如何追踪暗物质分布提供了新的探测手段。