[论文解读] Probing modified gravitational wave propagation with strongly lensed coalescing binaries

Andreas Finke, Stefano Foffa+3 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2021

Pulsars and Gravitational Waves Research参考文献 86被引用 37

一句话总结

该论文提出利用来自合并双星的四重引力透镜引力波（GW）事件，无需依赖哈勃常数 H₀ 的先验，来探测修改的引力波传播。通过比较标准电磁波明亮距离与对参数 Ξ₀ 敏感的引力波明亮距离（该参数衡量广义相对论的偏离程度），表明第三代探测器如爱因斯坦望远镜可对 Ξ₀ 实现高精度约束，从而在宇宙学尺度上提供一种强有力的修改引力检验方法。

ABSTRACT

It has been recently shown that quadruply lensed gravitational-wave (GW) events due to coalescing binaries can be localized to one or just a few galaxies, even in the absence of an electromagnetic counterpart. We discuss how this can be used to extract information on modified GW propagation, which is a crucial signature of modifications of gravity at cosmological scales. We show that, using quadruply lensed systems, it is possible to constrain the parameter Ξ0 that characterizes modified GW propagation, without the need of imposing a prior on H0. A LIGO/Virgo/Kagra network at target sensitivity might already get a significant measurement of Ξ0, while a third-generation GW detector such as the Einstein Telescope could reach a very interesting accuracy.

研究动机与目标

• 开发一种利用强引力透镜引力波事件测试替代引力模型中修改的引力波传播的方法。
• 通过利用四重透镜系统，独立测量电磁波和引力波明亮距离，克服标准标准 sirens 方法中与 H₀ 的退化问题。
• 实现对表征引力波振幅演化偏离广义相对论程度的参数 Ξ₀ 的精确约束。
• 证明即使没有电磁对应体，未来探测器如爱因斯坦望远镜也能探测到修改的引力波传播。
• 通过隔离修改引力波传播的影响，摆脱背景宇宙学不确定性的干扰，提供一种与宇宙学无关的引力检验。

提出的方法

• 利用来自合并双星的四重引力透镜引力波事件，这些事件从同一源产生多个时间延迟的信号。
• 比较观测到的引力波明亮距离（d⁰ₗ）与从相同透镜图像推导出的电磁波明亮距离（dᵉₗ），利用 d⁰ₗ 依赖于 Ξ₀ 而 dᵉₗ 不依赖的特性。
• 采用参数化形式 d⁰ₗ(z)/dᵉₗ(z) = Ξ₀ + (1−Ξ₀)/(1+z)ⁿ 来建模修改的引力波传播，其中 Ξ₀ 是需被约束的关键参数。
• 利用多图像间的时间延迟，独立估计源红移和透镜几何结构，从而实现对 dᵉₗ 的模型无关确定。
• 结合测量得到的 d⁰ₗ 和 dᵉₗ，提取 Ξ₀，而无需假设 H₀ 的先验，从而避免标准 siren 宇宙学中的 H₀ 矛盾。
• 通过费舍尔信息分析，估算在不同探测器灵敏度下（包括 LIGO/Virgo/KAGRA 和爱因斯坦望远镜）对 Ξ₀ 的预期精度。

实验结果

研究问题

• RQ1 是否可以利用四重透镜引力波事件，在不依赖 H₀ 先验的情况下，测量表征修改引力波传播的参数 Ξ₀？
• RQ2 引力波与电磁波明亮距离之间的差异在多大程度上能打破宇宙学参数估计中的退化？
• RQ3 在当前一代（LIGO/Virgo/KAGRA）和未来（爱因斯坦望远镜）引力波探测器下，对 Ξ₀ 的精度能达到何种水平？
• RQ4 与单图像事件相比，四重透镜系统中多个透镜图像的存在如何增强对修改引力波传播的探测灵敏度？
• RQ5 该方法能否区分可行的修改引力模型（如非局域引力），即使这些模型在背景宇宙学上表现良好，但 Ξ₀ 明显偏离 1？

主要发现

• 四重透镜引力波事件可实现对表征修改引力波传播的参数 Ξ₀ 的直接、不依赖 H₀ 的测量。
• 在 LIGO/Virgo/KAGRA 达到目标灵敏度时，可实现对 Ξ₀ 的显著测量，预期约束精度达百分之几。
• 爱因斯坦望远镜预计可将对 Ξ₀ 的精度提升至 0.1%–1%，从而实现对修改引力模型的高灵敏度检验。
• 即使缺乏电磁对应体，该方法依然稳健，因为引力透镜几何结构和时间延迟可实现独立的距离测定。
• 该方法对如 RT 非局域引力等模型尤其有力，这些模型预测 Ξ₀ ≈ 1.80，导致与广义相对论相比有 80% 的显著偏离，可被探测到。
• 研究表明，强引力透镜与引力波标准 sirens 的结合，为引力张量部分提供了一种独特且与宇宙学无关的探测手段。