[论文解读] Probing the large scale structure using gravitational-wave observations of binary black holes

A. Vijaykumar, M. V. S. Saketh+3 more|arXiv (Cornell University)|May 3, 2020

Pulsars and Gravitational Waves Research参考文献 56被引用 12

一句话总结

本文提出利用第三代探测器对双黑洞（BBH）的引力波（GW）观测，通过测量BBH的聚类偏置来探测宇宙的大尺度结构（LSS）。通过分析BBH事件定位的空间分布及其两点相关函数，该研究证明：在5至10年的观测下，偏置因子可被准确估计，从而提供一种独立的、无需电磁（EM）数据的BBH天体物理宿主环境探针，揭示其与暗物质晕或星系类型的关系。

ABSTRACT

Third generation gravitational-wave (GW) detectors are expected to detect a large number of binary black holes (BBHs) to large redshifts, opening up an independent probe of the large scale structure using their clustering. This probe will be complementary to the probes using galaxy clustering -- GW events could be observed up to very large redshifts ($z \sim 10$) although the source localization will be much poorer at large distances ($\sim$ tens of square degrees). We explore the possibility of probing the large scale structure from the spatial distribution of the observed BBH population, using their two-point (auto)correlation function. We find that we can estimate the bias factor of population of BBH (up to $z \sim 0.7$) with a few years of observations with these detectors. Our method relies solely on the source-location posteriors obtained from the GW events and does not require any information from electromagnetic observations. This will help in identifying the type of galaxies that host the BBH population, thus shedding light on their origins.

研究动机与目标

• 开发一种仅基于引力波（GW）观测双黑洞（BBH）来探测宇宙大尺度结构（LSS）的方法，无需依赖电磁（EM）数据。
• 利用GW事件定位后验概率，估算BBH群体在红移函数上的大尺度偏置因子。
• 提供一种独立的天体物理示踪器，以补充传统的星系聚类巡天。
• 评估仅基于GW数据约束BBH宿主环境（如星系类型或暗物质晕质量）的可行性。
• 评估在第三代GW探测器预期的真实定位不确定性和红移分布下，偏置估计的统计稳健性。

提出的方法

• 利用BBH事件在天球上的两点（自）相关函数量化空间聚类。
• 基于假设的ΛCDM模型（采用Planck 2018参数）的宇宙学模拟，构建包含红移和天区定位的合成BBH事件星表。
• 使用嵌套采样工具dynesty进行贝叶斯推断，从GW事件后验分布的空间分布中估计偏置因子 $ b_{\text{BBH}}(z) $。
• 利用第三代探测器（如爱因斯坦望远镜、宇宙探索者）预期的真实误差分布建模源定位体积，假设在 $ z \sim 0.7 $ 时中位定位面积约为 ~1 deg²。
• 通过注入偏置值（$ b = 0, 1.2, 1.5, 2.0 $）的1000个模拟星表验证方法，测试恢复精度与随机分布的显著性差异。
• 利用假设的ΛCDM宇宙学将光度距离后验概率转换为共动体积和红移，实现用于相关性分析的红移分箱。

实验结果

研究问题

• RQ1 仅从GW事件的空间分布能否独立估计BBH群体的大尺度偏置？
• RQ2 第三代GW探测器需要多长时间的观测才能实现对 $ b_{\text{BBH}}(z) $ 的统计显著测量？
• RQ3 在真实定位不确定性和红移分布下，BBH定位数据能多准确地恢复偏置因子？
• RQ4 恢复的偏置 $ b_{\text{BBH}}(z) $ 在多大程度上能揭示BBH的天体物理起源，如宿主星系类型或暗物质晕质量？
• RQ5 与传统的电磁（EM）星系偏置测量相比，基于GW的偏置测量在精度和互补性方面如何？

主要发现

• 在第三代探测器进行数年的GW观测后，可估计偏置因子 $ b_{\text{BBH}} $，并在红移 $ z \sim 0.7 $ 以内实现显著测量。
• 该方法在模拟星表中成功恢复了注入的偏置值，堆叠后验分布的峰值集中在真实注入值附近，适用于 $ b = 1.2, 1.5, 2.0 $。
• 恢复的偏置对采样和定位体积不确定性具有鲁棒性，显著性检验显示与随机（无聚类）分布（$ b = 0 $）有明显区分。
• 该方法提供了一种独立的、无需电磁数据的LSS探针，可对BBH宿主环境（如星系类型或暗物质晕质量）施加约束。
• GW基偏置估计的统计精度虽弱于光学星系巡天，但该方法提供了一种新颖且互补的物质分布示踪器。
• 结果与所假设的ΛCDM宇宙学密切相关；未来工作将通过宇宙学参数边缘化探索模型无关的方法。