[论文解读] Standard siren cosmology in the era of the 2.5-generation ground-based gravitational wave detectors: bright and dark sirens of LIGO Voyager and NEMO

Shang-Jie Jin, Rui-Qi Zhu+4 more|arXiv (Cornell University)|Sep 21, 2023

Pulsars and Gravitational Waves ResearchPhysics and Astronomy参考文献 107被引用 3

一句话总结

本文研究了2.5代地面引力波探测器LIGO Voyager和NEMO在宇宙学中的潜力，采用标准siren（即具有电磁对应体的双中子星并合事件，以及通过统计交叉相关识别的无直接电磁对应体的暗siren）。结果表明，这些探测器可将哈勃常数的测量精度分别达到1.07%（NEMO）和1.43%（Voyager），当与CMB数据结合时，能显著改善对暗能量状态方程的约束，为解决哈勃张力问题提供有希望的方案。

ABSTRACT

The 2.5-generation (2.5G) ground-based gravitational wave (GW) detectors LIGO Voyager and NEMO are expected to be operational in the late 2020s and early 2030s. In this work, we explore the potential of GW standard sirens observed by the 2.5G GW detectors in measuring cosmological parameters, especially for the Hubble constant. Using GWs to measure cosmological parameters is inherently challenging, especially for 2.5G detectors, given their limited capability, which results in weaker constraints on cosmological parameters from the detected standard sirens. However, the measurement of the Hubble constant using standard siren observations from Voyager and NEMO is still promising. For example, using bright sirens from Voyager and NEMO can measure the Hubble constant with a precision of about $2\%$ and $6\%$ respectively, and using the Voyager-NEMO network can improve the precision to about $1.6\%$. Moreover, bright sirens can be used to break the degeneracy of cosmological parameters generated by CMB data, and to a certain extent, 2.5G detectors can also play a role in this aspect. Observations of dark sirens by 2.5G detectors can achieve relatively good results in measuring the Hubble constant, with a precision of within $2\%$, and if combining observations of bright and dark sirens, the precision of the Hubble constant measurement can reach about $1.4\%$. Finally, we also discussed the impact of the uncertainty in the binary neutron star merger rate on the estimation of cosmological parameters. We conclude that the magnificent prospect for solving the Hubble tension is worth expecting in the era of the 2.5G ground-based GW detectors.

研究动机与目标

• 评估2.5代地面引力波探测器（特别是LIGO Voyager和NEMO）通过标准siren可实现的宇宙学参数约束。
• 评估具有电磁对应体的明亮siren与无直接电磁对应体的暗siren对哈勃常数和暗能量参数测量的影响。
• 探究将标准siren数据与CMB观测结合是否能打破参数退化，并改善对动力学暗能量模型的约束。
• 量化在乐观（探测到SGRB）与保守（无电磁对应体）两种情景下哈勃常数测量的精度。
• 确定2.5代探测器是否能达到精度宇宙学标准，并解决哈勃张力问题。

提出的方法

• 利用类似THESEUS的GRB探测器模拟10年观测期内联合引力波与短伽马射电暴（SGRB）的探测率，以建模明亮siren事件。
• 基于各自的灵敏度曲线，投影LIGO Voyager和NEMO的探测灵敏度，假设以信噪比（SNR）阈值100作为识别暗siren的标准。
• 在ΛCDM、wCDM和w0waCDM模型中，采用贝叶斯框架进行宇宙学参数估计，结合模拟的标准siren数据与CMB先验。
• 通过引力波事件与星系星表的统计交叉相关来建模暗siren，假设无直接电磁识别，但可利用宿主星系红移信息。
• 通过H₀、Ωₘ和w的边际误差条量化参数约束，比较仅使用明亮siren、仅使用暗siren以及明亮+暗siren联合数据的结果。
• 评估标准siren在打破CMB仅约束中存在参数退化方面的有效性，特别是针对时变暗能量模型。

实验结果

研究问题

• RQ1 LIGO Voyager和NEMO在仅使用明亮标准siren的情况下，测量哈勃常数的精度能达到多高？
• RQ2 当电磁对应体未被探测到时，通过与星系星表进行统计交叉相关识别的暗siren事件，对宇宙学参数的约束能力如何？
• RQ3 将标准siren数据与CMB观测结合，能在多大程度上打破宇宙学参数空间中的退化，特别是针对动力学暗能量模型？
• RQ4 与仅使用明亮siren相比，LIGO Voyager同时包含明亮和暗siren事件如何改善哈勃常数的约束？
• RQ5 2.5代引力波探测器时代是否能通过独立、高精度的H₀测量，为解决哈勃张力问题提供解决方案？

主要发现

• 仅依靠暗siren事件，LIGO Voyager即可将哈勃常数的约束精度达到1.98%，证明了统计siren方法的可行性。
• NEMO仅通过明亮siren即可将哈勃常数的测量精度提升至1.07%，已接近精度宇宙学的标准。
• 当与CMB数据结合时，CMB+NEMO组合对暗能量状态方程w的约束精度达到3.31%，与最新CMB+SN数据水平相当。
• LIGO Voyager的明亮与暗siren联合数据可将哈勃常数约束精度提升至1.06%，与NEMO仅使用明亮siren的精度相当。
• 2.5代探测器的明亮siren能有效打破CMB仅分析中存在的宇宙学参数退化，尤其在动力学暗能量模型中表现显著。
• 本研究结论认为，2.5代引力波探测器时代通过使用标准siren实现高精度、模型无关的H₀测量，具有强大潜力解决哈勃张力问题。