[论文解读] Standard Siren Cosmology with Gravitational Waves from Binary Black Hole Mergers in Active Galaxy Nuclei

Clécio R. Bom, A. Palmese|arXiv (Cornell University)|Jul 3, 2023

Pulsars and Gravitational Waves Research被引用 4

一句话总结

该论文提出了一种新颖的标准siren宇宙学方法，利用活动星系核（AGNs）中双黑洞并合产生的引力波，通过AGN耀斑或星表作为红移指示器，无需识别独特的宿主星系。在LIGO/Virgo/KAGRA达到设计（A+）灵敏度的1–2年内，该方法可实现2–7%精度的H₀约束，具体取决于耀斑探测效率和宇宙学先验。

ABSTRACT

The detection of gravitational waves (GW) with an electromagnetic counterpart enabled the first Hubble Constant $H_0$ measurement through the standard siren method. Current constraints suggest that $\sim 20-30\%$ of LIGO/Virgo/KAGRA (LVK) Binary Black Hole (BBH) mergers might occur in Active Galactic Nuclei (AGN) disks. The claim for a possible association of several BBH mergers with flaring AGNs suggests that cosmological analyses using BBH and AGNs might be promising. We explore standard siren analyses through a method that takes into account the presence of background flaring AGNs, without requiring a unique host galaxy identification, and apply it to realistic GW simulations. Depending on the fraction of LVK BBHs that induce flares, we expect to constrain $H_0$ at the $\sim 6-7\%$ ($\sim 4-5\%$) precision with $\sim 2-3$ years or $\sim 160-240$ events ($\sim 1$ year or $500$ events) of LVK at design (A+) sensitivity, assuming that systematic BBH follow-up searches are performed. %Assuming a more restrictive $Ω_{ m m}$ prior and that at least $20\%$ of BBHs produces detectable flares, we may reach a $3\%$ ($2\%$) precision in $H_0$ after 2 (1) year of LVK at design (A+) sensitivity. We also show that in a scenario where only $\sim 1\%$ of the BBHs induce detectable flares it is possible to achieve an $H_0$ precision from $7.5\%$ to $15\%$ with $\sim 240$ events. In addition, a $\sim 5-27\%$ precision is achievable with complete AGN catalogs and 1 year of LVK run, without the need of any flare identification.

研究动机与目标

• 通过利用引力波实现独立的宇宙学测量，解决持续存在的H₀张力问题。
• 通过使用AGN耀斑作为红移指示器，克服大多数双黑洞（BBH）并合缺乏电磁对应体的挑战。
• 开发一种统计方法，将引力波事件与AGNs或耀斑关联，无需依赖时间敏感的后续观测或独特的宿主星系识别。
• 量化在考虑现实AGN密度和耀斑概率的情况下，利用AGNs中的BBH并合可实现的宇宙学精度。
• 评估宇宙学先验（如Ω_m）和AGN耀斑探测效率对H₀测量精度的影响。

提出的方法

• 使用非齐次泊松过程对GW-AGN关联进行建模，以考虑AGNs和耀斑的空间与时间分布。
• 应用贝叶斯定理计算宇宙学参数的后验分布，对诱导耀斑的BBH比例（λ）和天球位置进行边缘化。
• 使用似然函数（公式3），结合引力波事件与AGN天球位置和红移匹配的概率，以及偶然重合的背景率。
• 引入AGN和耀斑的探测概率（P_det^AGN），并通过对天球和红移的积分计算背景关联的期望数量（μ_i，公式4）。
• 使用emcee MCMC软件包对后部分布进行采样，以估计wCDM宇宙学模型中的宇宙学参数和λ。
• 在具有不同AGN数密度（n_AGN = 10^{-4.75} 至 10^{-4.5} Mpc⁻³）和耀斑概率（α_flare = 10^{-4} 至 10^{-3}）的真实引力波模拟上测试该方法。

Figure 1: Hubble constant precision as a function of number of events from LVK (similarly to an O4 sensitivity) and LVK A+ (similar to O5) for different input values of the fraction of BBHs inducing AGN flares $\lambda$ . The upper dot-dashed horizontal line presents the expected $H_{0}$ precision f

实验结果

研究问题

• RQ1 是否可以不识别唯一宿主星系，仅使用AGN耀斑或星表作为标准siren宇宙学的红移指示器？
• RQ2 在当前和未来引力波探测器灵敏度下，利用AGNs中的BBH并合可实现多高的H₀精度？
• RQ3 在该框架中，包含宇宙学先验（如Ω_m）如何影响H₀测量的精度？
• RQ4 测量诱导可探测AGN耀斑的BBH比例（λ）的预期精度是多少？其与事件数量和AGN密度的关系如何？
• RQ5 该方法是否可在无需时间敏感后续观测的情况下，仅使用AGN星表实现子5%的H₀精度？

主要发现

• 在LIGO/Virgo/KAGRA达到设计灵敏度的约2年内，若160个BBH事件发生，且20–80%的BBH并合发生在AGNs中，H₀可实现3.5–7%的精度约束。
• 在A+灵敏度下约1年内发生500个事件时，H₀精度提升至2.5–5%，在相同假设下。
• 假设BBH耀斑比例为20%，且Ω_m先验较严格，H₀精度在A+灵敏度下1年（2年）后可达到2%（3%）。
• 仅使用完整的AGN星表和1年LVK数据，即可实现5–10%的H₀精度，无需时间敏感的后续观测。
• 该方法可实现约10–30%精度的λ（诱导耀斑的BBH比例）约束，为AGNs中BBH形成通道提供洞见。
• 后验等高线显示典型的香蕉形退化，证实该方法与标准siren宇宙学原理的一致性。

Figure 2: Posteriors from $1$ year (or $500$ events) of LVK A+ within a flaring AGN scenario with $n_{\rm AGN}=10^{-4.75}$ Mpc -3 and $\alpha_{\rm flare}=10^{-4}$ . Left: $H_{0}$ posterior considering a $\Lambda$ CDM model for different input values of $\lambda$ . The solid lines represent the resul