[论文解读] Using Gray Sirens to Resolve the Hubble-Lemaître Tension

Ish Gupta|arXiv (Cornell University)|Nov 30, 2022

Pulsars and Gravitational Waves Research被引用 4

一句话总结

本文提出中子星-黑洞（NSBH）并合——称为“灰标准汽笛”——作为利用引力波（GW）和电磁（EM）对应体测量哈勃-勒梅特定律常数（$H_0$）的双重能力工具。研究表明，借助下一代探测器（如Voyager网络），在5年内即可将$H_0$的精度约束在2%以内，从而解决哈勃张力问题；而宇宙探索者（Cosmic Explorer）则可仅通过NSBH灰标准汽笛实现亚百分之一级别的精度。

ABSTRACT

The measurement of the Hubble-Lemaître constant $(H_0)$ from the cosmic microwave background and the Type IA supernovae are at odds with each other. One way to resolve this tension is to use an independent way to measure $H_0$. This can be accomplished by using gravitational-wave (GW) observations. Previous works have shown that with the onset of the next-generation of GW detector networks, it will be possible to constrain $H_0$ better than $2\%$ (which is enough to resolve the tension) with binary black hole systems, also called dark sirens. Bright sirens like binary neutron star systems can also help resolve the tension if both the GW and the following electromagnetic counterpart are detected. In this work, we assess the potential of using neutron star-black hole (NSBH) mergers to measure the Hubble-Lemaître constant, both as dark sirens as well as bright sirens, thus, assigning them the term gray sirens. We find that the Voyager network might be able to resolve the tension using NSBH mergers in an observation span of 5 years, whereas next-generation networks which include the Cosmic Explorer detectors and the Einstein Telescope will be able to measure the $H_0$ to sub-percent level.

研究动机与目标

• 评估中子星-黑洞（NSBH）并合作为独立$H_0$距离指示器以解决哈勃-勒梅特定律张力的潜力。
• 评估利用NSBH系统测量$H_0$的暗标准汽笛（统计方法）与亮标准汽笛（电磁对应体）两种方法。
• 确定实现$H_0$约束精度低于2%所需的观测时长与探测器灵敏度。
• 量化中子星状态方程（EOS）、星族模型与并合率对$H_0$测量性能的影响。

提出的方法

• 本研究采用费雪信息矩阵（FIM）方法，估算在多个探测器网络中，NSBH引力波信号对$H_0$测量精度的估计。
• 建立两种星族情景（Pop-1与Pop-2），通过变化本地并合率与中子星状态方程（ALF2、APR4、DD2）来评估结果的稳健性。
• 在亮标准汽笛分析中，利用数值相对论拟合生成千新星（KN）光曲线，以预测维拉·C·鲁宾天文台与南希·格蕾斯·罗曼空间望远镜的可探测性。
• 结合暗标准汽笛（天区定位 + 星系星表匹配）与亮标准汽笛（电磁对应体探测）方法，估算$H_0$的约束条件。
• 评估多种探测器网络：HLVKI+、VK+HLIv（Voyager）与ECS（宇宙探索者）联合爱因斯坦望远镜，覆盖5年与10年观测周期。
• 计算所有星族模型、状态方程与探测器网络组合下的预期事件率与$H_0$精度边界。

实验结果

研究问题

• RQ1 NSBH并合能否作为有效的标准汽笛，结合引力波与电磁数据用于$H_0$测量？
• RQ2 下一代引力波网络使用NSBH灰标准汽笛解决哈勃-勒梅特定律张力，所需的最短观测时间是多少？
• RQ3 中子星状态方程如何影响千新星对应体的可探测性及后续$H_0$精度？
• RQ4 在NSBH系统中，暗标准汽笛与亮标准汽笛方法在$H_0$估计中相互补充的程度如何？
• RQ5 未来探测器网络如宇宙探索者能否仅通过NSBH并合实现亚百分之一级别的$H_0$精度？

主要发现

• Voyager网络（VK+HLIv）可在5年观测内利用NSBH灰标准汽笛解决哈勃-勒梅特定律张力，实现$H_0$精度低于2%。
• 宇宙探索者（ECS）网络可在2年内通过NSBH并合将$H_0$测量精度提升至1%以内，每年可探测10–30个高质量灰标准汽笛事件。
• 对于APR4状态方程，HLVKI+在5年内无法解决张力问题，但配备爱因斯坦望远镜或宇宙探索者探测器的网络可以。
• NSBH系统兼具黄金暗标准汽笛与亮标准汽笛的特性，因此“灰标准汽笛”这一术语具有充分依据。
• 下一代网络如ECS对中子星状态方程的不确定性具有鲁棒性，因为$H_0$精度主要由黄金暗标准汽笛测量主导。
• 本研究估计，ECS每年将探测10–30个NSBH灰标准汽笛事件，其中每年约有1–3个卓越的亮标准汽笛事件，其单独测量的$H_0$精度可低于2%。