[论文解读] Probing the large-scale structure of the universe through gravitational-wave observations

Xiaoyun Shao, Zhoujian Cao+2 more|arXiv (Cornell University)|Oct 17, 2021

Pulsars and Gravitational Waves Research参考文献 41被引用 5

一句话总结

本论文提出利用第三代探测器的引力波（GW）观测，通过分析双黑洞（BBH）事件的角相关函数（ACF），探测宇宙的大尺度结构。通过模拟5000个BBH事件，并对ACF测量结果应用最小二乘拟合以恢复偏置因子，研究显示：在十年观测后，BBH偏置可实现约33%的精度恢复，提供了一种独立研究BBH形成机制与暗物质分布的新方法。

ABSTRACT

The improvements in the sensitivity of the gravitational wave (GW) network enable the detection of several large redshift GW sources by third-generation GW detectors. These advancements provide an independent method to probe the large-scale structure of the universe by using the clustering of the binary black holes. The black hole catalogs are complementary to the galaxy catalogs because of large redshifts of GW events, which may imply that binary black holes (BBHs) are a better choice than galaxies to probe the large-scale structure of the universe and cosmic evolution over a large redshift range. To probe the large-scale structure, we used the sky position of the binary black holes observed by third-generation GW detectors to calculate the angular correlation function (ACF) and the bias factor of the population of binary black holes. This method is also statistically significant as 5000 BBHs are simulated. Moreover, for the third-generation GW detectors, we found that the bias factor can be recovered to within 33$\%$ with an observational time of ten years. This method only depends on the GW source-location posteriors; hence, it can be an independent method to reveal the formation mechanisms and origin of the BBH mergers compared to the electromagnetic method.

研究动机与目标

• 开发一种利用引力波（GW）观测双黑洞（BBH）并合事件探测宇宙大尺度结构的方法。
• 通过角相关函数（ACF）提取宇宙学信息，应对GW天文学中源定位精度差的挑战，即使存在位置不确定性亦可实现。
• 利用模拟的GW事件星表估算BBH的聚类偏置，并与现有方法进行统计显著性比较。
• 评估将GW数据作为星系星表的补充追踪器，用于绘制宇宙结构（尤其是高红移z ≤ 10）的可行性。
• 评估第三代GW探测器（如ET-2CE）在时间推移中恢复BBH偏置因子的性能，同时考虑右阿森旭、赤纬和光度距离的关联位置误差。

提出的方法

• 在红移z = 0.3处的350 h⁻¹ Mpc厚球壳内模拟5000个BBH事件，使用高斯分布的源位置后验分布来建模位置不确定性。
• 使用Landy-Szalay（LS）估计器从模拟的BBH星表中计算观测到的角相关函数（ACF），重复10,000次以获得稳健的平均ACF。
• 从50次物质场实现中生成1,000个子星表，通过子星表间的离散度估算ACF的统计方差与误差棒。
• 将通过LS估计器恢复的ACF与考虑右阿森旭、赤纬和光度距离中关联误差的理论模糊化ACF进行比较。
• 应用最小二乘拟合，将观测到的ACF与理论模糊化ACF匹配，从而估算BBH偏置因子bBBH。
• 使用ET-2CE探测器灵敏度曲线，根据可探测BBH事件数与定位精度，评估3、5和10年观测期间的性能。

实验结果

研究问题

• RQ1 尽管GW源定位存在较大位置不确定性，BBH事件的角相关函数（ACF）是否可用于恢复双黑洞的聚类偏置？
• RQ2 第三代GW探测器（如ET-2CE）在多大程度上能实现足够精确的BBH源定位，以支持通过ACF分析探测大尺度结构？
• RQ3 随着观测时间增加（3、5、10年），仅使用GW数据进行偏置因子恢复的精度如何提升？
• RQ4 基于ACF的偏置估计方法与使用完整三维位置数据的两点相关函数方法相比，性能如何？
• RQ5 基于GW的BBH星表能否作为大尺度结构与暗物质分布的补充且独立的示踪器，尤其在高红移区域？

主要发现

• 使用ET-2CE探测器，该方法在三年观测后可成功将BBH偏置因子恢复至约52%的精度。
• 五年观测后，偏置因子的恢复精度达到约51%。
• 经过十年观测，偏置因子可实现33%以内的精度恢复，展现出强大的统计可行性。
• 即使在右阿森旭、赤纬与距离中存在关联位置误差的情况下，该ACF方法依然有效，本研究未忽略这些误差，与以往工作不同。
• 该方法在统计性能上与使用5000个GW事件的两点相关函数方法相当，证实其在大尺度结构研究中的可行性。
• 本研究确认，由于BBH可探测至高红移（z ≈ 10），相较于星系星表，其提供了对宇宙结构与暗物质分布的互补且独立的探测手段。