[论文解读] Standard Siren Speed Trap: Policing velocities in gravitational-wave measurements of $H_{0}$

Cullan Howlett, T. M. Davis|arXiv (Cornell University)|Sep 2, 2019

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

一句话总结

本文表明，宿主星系 NGC4993 的总速度和特殊速度中的不确定性对引力波标准汽笛源测量哈勃常数（$H_0$）具有显著影响，以 GW170817 为例进行研究。通过应用贝叶斯模型平均法并结合高分辨率射电成像，作者将 $H_0$ 精炼为 $64.8^{+7.3}_{-7.2}$ km s⁻¹ Mpc⁻¹，强调了在宇宙学推断中必须考虑速度系统误差的重要性。

ABSTRACT

We re-analyze data from the gravitational-wave event GW170817 and its host galaxy NGC4993 to demonstrate the importance of accurate total and peculiar velocities when measuring the Hubble constant using Standard Sirens. We show that a number of reasonable choices can be made to estimate the velocities for this event, but that systematic differences remain between these measurements depending on which data is used. This leads to significant changes in the recovered Hubble constant inferred from GW170817. We present Bayesian Model Averaging as one way to account for these differences, and doing so obtain $H_{0}=66.8^{+13.4}_{-9.2}\,\mathrm{km\,s^{-1}\,Mpc^{-1}}$. Adding additional information on the viewing angle from high resolution imaging of the radio counterpart refines this to $H_{0}=64.8^{+7.3}_{-7.2}\,\mathrm{km\,s^{-1}\,Mpc^{-1}}$. During this analysis we also present an alternative Bayesian model for evaluating the posterior on $H_{0}$ from Standard Sirens that works more closely with observed quantities from redshift and peculiar velocity surveys. Our results more accurately capture the true uncertainty on the total and peculiar velocities of NGC4993 and show that more effort should be made to explore how well different datasets characterize galaxy groups and the velocity field in the local Universe; Standard Siren measurements must take these differences into account to obtain unbiased cosmological constraints. The conclusions of this work are also relevant for measurements of the Hubble constant from other isolated low redshift probes, i.e., individual Standard Candles and from Fast Radio Bursts, however the importance of precise velocities diminishes as the number of measurements increases because the random component of the peculiar velocity averages out.

研究动机与目标

• 评估总速度与特殊速度不确定性对引力波标准汽笛源测量 $H_0$ 的影响。
• 识别由于对 GW170817 宿主星系 NGC4993 的速度数据选择不同而引起的 $H_0$ 估计系统差异。
• 开发并应用贝叶斯模型平均法，以考虑速度估计中的模型与数据不确定性。
• 提出一种新的贝叶斯框架，更好地将观测红移与特殊速度调查数据整合到 $H_0$ 后验推断中。
• 强调准确建模本地速度场对于从低红移标准汽笛源获得无偏宇宙学约束的重要性。

提出的方法

• 使用多种速度估计方法重新分析 GW170817 和 NGC4993 的数据，以量化系统差异。
• 应用贝叶斯模型平均法，整合不同速度模型的结果，减少模型选择带来的偏差。
• 结合 GW170817 对应体的高分辨率射电成像，以约束视线方向并提高速度精度。
• 开发一种新的贝叶斯模型，直接利用观测红移与特殊速度调查数据计算 $H_0$ 后验分布。
• 使用马尔可夫链蒙特卡洛采样，将速度不确定性正确传播到 $H_0$ 后验分布中，并进行误差校准。
• 在不同速度数据集之间进行比较，量化残余系统误差及其对 $H_0$ 约束的影响。

实验结果

研究问题

• RQ1 对 NGC4993 的总速度与特殊速度采用不同估计方法，如何影响从 GW170817 推断出的 $H_0$ 值？
• RQ2 速度估计中的系统差异在多大程度上会引入标准汽笛源 $H_0$ 测量的偏差？
• RQ3 当存在多个速度模型时，贝叶斯模型平均法能否有效降低 $H_0$ 推断中的不确定性和偏差？
• RQ4 结合 GW170817 对应体的高分辨率射电成像，如何提升 $H_0$ 约束的准确性？
• RQ5 本地速度场不确定性在孤立低红移探针（如标准汽笛源和快速射电暴）的宇宙学约束中起什么作用？

主要发现

• NGC4993 的速度估计系统差异导致从 GW170817 推断出的 $H_0$ 显著变化，凸显了其作为主要不确定性来源的重要性。
• 通过贝叶斯模型平均法，作者得到 $H_0 = 66.8^{+13.4}_{-9.2}$ km s⁻¹ Mpc⁻¹，综合考虑了速度估计中的模型与数据不确定性。
• 结合 GW170817 对应体的高分辨率射电成像，将 $H_0$ 估计精炼为 $64.8^{+7.3}_{-7.2}$ km s⁻¹ Mpc⁻¹，降低了不确定性并提高了准确性。
• 本研究发现，当前星系群和本地速度场的数据集表征不足，导致 $H_0$ 测量中存在未被识别的系统误差。
• 所提出的贝叶斯模型更好地整合了观测红移与特殊速度调查数据，从而在 $H_0$ 推断中更准确地反映了速度不确定性。
• 研究结果强调，速度系统误差仍是标准汽笛源及其他低红移宇宙学探针的关键挑战，尽管随着样本量增加，随机特殊速度分量的平均效应会降低其影响。