[论文解读] Synergy between CSST galaxy survey and gravitational-wave observation: Inferring the Hubble constant from dark standard sirens

Ji-Yu Song, Ling-Feng Wang+5 more|arXiv (Cornell University)|Dec 1, 2022

Radio Astronomy Observations and Technology参考文献 122被引用 6

一句话总结

本文提出将中国巡天空间望远镜（CSST）星系巡天与第三代引力波（GW）探测器相结合，利用无电磁对应体的暗标准 sirens 测量哈勃常数（$H_0$）。通过结合 CSST 的深度、高精度测光与红移星系星表及 ET、CE1 和 ET2CE 的五年模拟 GW 数据，研究表明 $H_0$ 可被约束至亚百分之一精度，在最理想情况下达到 0.53%，显著提升宇宙学距离测量的精度。

ABSTRACT

Gravitational waves (GWs) from compact binary coalescences encode the absolute luminosity distances of GW sources. Once the redshifts of GW sources are known, one can use the distance-redshift relation to constrain cosmological parameters. One way to obtain the redshifts is to localize GW sources by GW observations and then use galaxy catalogs to determine redshifts from a statistical analysis of redshift information of the potential host galaxies, commonly referred to as the dark siren method. The third-generation (3G) GW detectors are planned to work in the 2030s and will observe numerous compact binary coalescences. Using these GW events as dark sirens requires high-quality galaxy catalogs from future sky survey projects. The China Space Station Telescope (CSST) will be launched in 2024 and will observe billions of galaxies within a 17500 deg$^2$ survey area with redshift up to $z\sim 4$, providing photometric and spectroscopic galaxy catalogs. In this work, we simulate the CSST galaxy catalogs and the 5-year GW data from the 3G GW detectors and combine them to infer the Hubble constant ($H_0$). Our results show that the measurement precision of $H_0$ could reach the sub-percent level, meeting the standard of precision cosmology. We conclude that the synergy between CSST and the 3G GW detectors is of great significance in measuring the Hubble constant.

研究动机与目标

• 研究结合 CSST 星系巡天与第三代引力波探测器，利用暗标准 sirens 实现 $H_0$ 高精度测量的潜力。
• 评估 CSST 的高时间密度、深度测光与光谱红移星表在提升引力波事件宿主星系识别完整性和准确性方面的作用。
• 量化在真实观测条件下（包括 GW 距离测量误差、强引力透镜效应与本动速度误差）$H_0$ 约束的精度。
• 评估网络配置（如 ET2CE）相比单个探测器在提升定位精度与宿主星系识别能力方面带来的性能增益。

提出的方法

• 使用 Schechter 函数模拟 CSST 星系数量分布与红红移分布，覆盖至 $z \sim 4$，并生成测光与光谱红移数据。
• 基于 GWTC-3 中的双黑洞（BBH）源统计，生成 ET、CE1 与 ET2CE 的五年引力波事件星表，包含天区定位与距离误差估计。
• 应用费舍尔信息矩阵（FIM）分析估算参数误差，包括光度距离（$d_{\rm L}$）与红移（$z$）的不确定性。
• 利用 GW 数据提供的三维定位区域，在模拟的 CSST 星表中搜索潜在宿主星系，通过贝叶斯推断从 $d_{\rm L}$–$z$ 关系中估计 $H_0$。
• 将仪器噪声、引力透镜效应与本动速度误差纳入 $d_{\rm L}$ 不确定性预算，其中本动速度误差建模为 $\Delta d_{\rm L}^{\rm pv}(z) = d_{\rm L}(z) \cdot \left[1 + \frac{c(1+z)^2}{H(z)d_{\rm L}(z)} \right] \cdot \frac{\sqrt{\langle v^2 \rangle}}{c}$，假设 $\sqrt{\langle v^2 \rangle} = 500\ \text{km s}^{-1}$。
• 对 $d_{\rm L}$–$z$ 关系进行贝叶斯推断以约束 $H_0$，比较不同探测器配置与不同红移星表质量下的结果。

实验结果

研究问题

• RQ1 CSST 与第三代 GW 探测器的协同能否实现使用暗 sirens 对哈勃常数的亚百分之一精度测量？
• RQ2 与当前的 GLADE+ 星表相比，CSST 星系星表在宿主星系识别完整性和红移精度方面，对未发生强引力透镜的 GW 事件有何提升？
• RQ3 本动速度误差对最终 $H_0$ 不确定性的影响如何？其对宇宙学约束精度有何影响？
• RQ4 网络配置（如 ET2CE）如何通过增强定位精度与宿主星系识别能力，优于单个探测器？

主要发现

• 在最理想情景下，利用 ET2CE 与 CSST 星系星表，哈勃常数可被约束至 0.53% 的精度，达到精确宇宙学的标准。
• 对于 ET 单独运行，乐观情景下 $H_0$ 精度为 0.62%，保守情景下为 0.89%；CE1 相比 ET 可将精度提升约 3.3%。
• ET2CE 网络在乐观情景下实现 0.53% 精度，保守情景下为 0.71%，相比 CE1 单独运行提升 17.44%。
• 引入本动速度误差会使 $H_0$ 精度降低 8%–16%，但即使在最坏情景（CE1 保守），精度仍保持在 1.00%。
• CSST 的测光与光谱星表所含星系数量分别为 GLADE+ 的约 100 倍与 10 倍，显著提升宿主星系探测的完整性。
• CSST 光谱红移星表的平均红移不确定性比 GLADE+ 低约 40%，直接通过 $d_{\rm L}$–$z$ 关系提升 $H_0$ 测量精度。