[论文解读] Prospects for measuring the Hubble constant and dark energy using gravitational-wave dark sirens with neutron star tidal deformation

Shang-Jie Jin, Tian-Nuo Li+2 more|arXiv (Cornell University)|Feb 24, 2022

Pulsars and Gravitational Waves Research被引用 5

一句话总结

本文表明，第三代引力波探测器（3G）可通过利用中子星潮汐形变来推断红移，从而实现利用暗 sirens（即缺乏电磁对应体的双中子星并合引力波信号）进行精确宇宙学研究。在三年观测且中子星方程态完全已知的条件下，ET2CE网络对哈勃常数的测量精度可达0.15%，对暗能量状态方程的测量精度可达0.95%，为解决哈勃张力问题并表征暗能量提供了突破性方案。

ABSTRACT

Using the measurements of tidal deformation in the binary neutron star (BNS) coalescences can obtain the information of redshifts of gravitational wave (GW) sources, and thus actually the cosmic expansion history can be investigated using solely such GW dark sirens. To do this, the key is to get a large number of accurate GW data, which can be achieved with the third-generation (3G) GW detectors. Here we wish to offer an answer to the question of whether the Hubble constant and the equation of state (EoS) of dark energy can be precisely measured using solely GW dark sirens. We find that in the era of 3G GW detectors ${\cal O}(10^5-10^6)$ dark siren data (with the NS tidal measurements) could be obtained in three-year observation if the EoS of NS is perfectly known, and thus using only dark sirens can actually achieve the precision cosmology. Based on a network of 3G detectors, we obtain the constraint precisions of $0.15\%$ and $0.95\%$ for the Hubble constant $H_0$ and the constant EoS of dark energy $w$, respectively; for a two-parameter EoS parametrization of dark energy, the precision of $w_0$ is $2.04\%$ and the error of $w_a$ is 0.13. We conclude that 3G GW detectors would lead to breakthroughs in solving the Hubble tension and revealing the nature of dark energy provided that the EoS of NS is perfectly known.

研究动机与目标

• 研究仅通过引力波暗 sirens 是否可精确测量哈勃常数和暗能量状态方程。
• 评估在缺乏电磁对应体的情况下，第三代（3G）地面引力波探测器（如宇宙探索者、爱因斯坦望远镜）的宇宙学潜力。
• 评估中子星潮汐形变测量对红移估计和宇宙膨胀历史重建的影响。
• 确定实现仅依赖引力波暗 sirens 的精确宇宙学所需的观测数据量和探测器灵敏度。
• 将暗 sirens 的宇宙学约束与传统探针（如CMB、BAO和超新星）的约束进行比较。

提出的方法

• 利用三年观测期的3G探测器网络（ET、CE、2CE、ET2CE）模拟双中子星（BNS）并合的引力波信号。
• 在波形中引入潮汐形变效应，以提取红移信息，从而在无电磁对应体的情况下重建距离-红移关系。
• 假设对中子星方程态（EoS）有完全已知，以隔离潮汐形变测量的宇宙学测量潜力。
• 采用费舍尔矩阵分析，预测哈勃常数 $H_0$、$w$、$w_0$ 和 $w_a$ 的宇宙学参数约束。
• 将预测精度与现有宇宙学探针（如Planck、Euclid、CMB-S4、Pantheon）进行比较，评估其竞争力。
• 采用平坦 $\Lambda$CDM 模型和 $w_0w_a$ CDM 模型，测试不同参数化下对暗能量的约束。

实验结果

研究问题

• RQ1 仅通过3G探测器的引力波暗 sirens，能否实现对哈勃常数的亚1%精度测量？
• RQ2 能否利用双中子星并合信号中的潮汐形变，将暗能量状态方程的约束精度提高到1%以内？
• RQ3 3G探测器的网络配置（如ET2CE）如何影响宇宙学参数估计的精度？
• RQ4 在完全已知中子星EoS的前提下，实现精确宇宙学所需的暗 sirens 事件数量是多少？
• RQ5 与CMB、BAO和超新星数据联合结果相比，暗 sirens 的宇宙学约束表现如何？

主要发现

• 在三年观测且中子星方程态完全已知的条件下，3G探测器可收集到 $\mathcal{O}(10^5 - 10^6)$ 个带有潮汐形变测量的暗 sirens 事件。
• ET2CE网络对哈勃常数 $H_0$ 的测量精度达到 $0.15\%$，接近精确宇宙学的标准。
• 在恒定暗能量状态方程 $w$ 的情况下，ET2CE网络对 $w$ 的约束精度可达 $0.95\%$。
• 在双参数 $w_0w_a$ CDM 模型中，ET2CE网络对 $w_0$ 的误差为 $\sigma(w_0) = 2.04\%$，对 $w_a$ 的误差为 $\sigma(w_a) = 0.126$，优于 Planck TT,TE,EE+lowE+BAO+Pantheon 数据的约束结果。
• ET2CE网络对 $w_0$ 和 $w_a$ 的约束与乐观的 Euclid 和 CMB-S4 组合结果相当或更优。
• 即使仅使用单个ET探测器，也能实现 $\sigma(w) = 0.034$，与最新Planck约束水平相当，表明仅靠暗 sirens 本身即具备强大的宇宙学潜力。