Cosmology with LIGO/Virgo dark sirens: Hubble parameter and modified gravitational wave propagation

被引:93
作者
Finke, Andreas [1 ]
Foffa, Stefano
Lacovelli, Francesco
Maggiore, Michele
Mancarella, Michele
机构
[1] Univ Geneva, Dept Phys Theor, 24 Quai Ansermet, CH-1211 Geneva 4, Switzerland
基金
瑞士国家科学基金会;
关键词
gravitational waves / experiments; gravitational waves / theory; modified gravity; GALAXIES;
D O I
10.1088/1475-7516/2021/08/026
中图分类号
P1 [天文学];
学科分类号
0704 ;
摘要
We present a detailed study of the methodology for correlating 'dark sirens' (compact binaries coalescences without electromagnetic counterpart) with galaxy catalogs. We propose several improvements on the current state of the art, and we apply them to the GWTC-2 catalog of LIGO/Virgo gravitational wave (GW) detections, and the GLADE galaxy catalog, performing a detailed study of several sources of systematic errors that, with the expected increase in statistics, will eventually become the dominant limitation. We provide a measurement of H-0 from dark sirens alone, finding as the best result H-0 = 67.3(-17.9)(+27.6) km s(-1) Mpc(-1) (68% c.l.) which is, currently, the most stringent constraint obtained using only dark sirens. Combining dark sirens with the counterpart for GW170817 we find H-0 = 72.2(-7.5)(+13.9) km s(-1) Mpc(-1). We also study modified GW propagation, which is a smoking gun of dark energy and modifications of gravity at cosmological scales, and we show that current observations of dark sirens already start to provide interesting limits. From dark sirens alone, our best result for the parameter Xi(0) that measures deviations from GR (with Xi(0) = 1 in GR) is Xi(0) = 2.1(-1.2)(+3.2). We finally discuss limits on modified GW propagation under the tentative identification of the flare ZTF19abanrhr as the electromagnetic counterpart of the binary black hole coalescence GW190521, in which case our most stringent result is Xi(0) = 1.8(-0.6)(+0.9).
引用
收藏
页数:97
相关论文
共 133 条
[1]   Predictions for the rates of compact binary coalescences observable by ground-based gravitational-wave detectors [J].
Abadie, J. ;
Abbott, B. P. ;
Abbott, R. ;
Abernathy, M. ;
Accadia, T. ;
Acerneseac, F. ;
Adams, C. ;
Adhikari, R. ;
Ajith, P. ;
Allen, B. ;
Allen, G. ;
Ceron, E. Amador ;
Amin, R. S. ;
Anderson, S. B. ;
Anderson, W. G. ;
Antonuccia, F. ;
Aoudiaa, S. ;
Arain, M. A. ;
Araya, M. ;
Aronsson, M. ;
Arun, K. G. ;
Aso, Y. ;
Aston, S. ;
Astonea, P. ;
Atkinson, D. E. ;
Aufmuth, P. ;
Aulbert, C. ;
Babak, S. ;
Baker, P. ;
Ballardin, G. ;
Ballmer, S. ;
Barker, D. ;
Barnum, S. ;
Baroneac, F. ;
Barr, B. ;
Barriga, P. ;
Barsotti, L. ;
Barsuglia, M. ;
Barton, M. A. ;
Bartos, I. ;
Bassiri, R. ;
Bastarrika, M. ;
Bauchrowitz, J. ;
Bauera, Th S. ;
Behnke, B. ;
Beker, M. G. ;
Benacquista, M. ;
Bertolini, A. ;
Betzwieser, J. ;
Beveridge, N. .
CLASSICAL AND QUANTUM GRAVITY, 2010, 27 (17)
[2]   GW190521: A Binary Black Hole Merger with a Total Mass of 150 M⊙ [J].
Abbott, B. P. ;
Abbott, R. ;
Abbott, T. D. ;
Abraham, S. ;
Acernese, F. ;
Ackley, K. ;
Adams, C. ;
Adhikari, R. X. ;
Adya, V. B. ;
Affeldt, C. ;
Agathos, M. ;
Agatsuma, K. ;
Aggarwal, N. ;
Aguiar, O. D. ;
Aiello, L. ;
Ain, A. ;
Ajith, P. ;
Allen, G. ;
Allocca, A. ;
Aloy, M. A. ;
Altin, P. A. ;
Amato, A. ;
Anand, S. ;
Ananyeva, A. ;
Anderson, S. B. ;
Anderson, W. G. ;
Angelova, S. V. ;
Antier, S. ;
Appert, S. ;
Arai, K. ;
Araya, M. C. ;
Areeda, J. S. ;
Arene, M. ;
Arnaud, N. ;
Aronson, S. M. ;
Ascenzi, S. ;
Ashton, G. ;
Aston, S. M. ;
Astone, P. ;
Aubin, F. ;
Aufmuth, P. ;
AultONeal, K. ;
Austin, C. ;
Avendano, V. ;
Avila-Alvarez, A. ;
Babak, S. ;
Bacon, P. ;
Badaracco, F. ;
Bader, M. K. M. ;
Bae, S. .
PHYSICAL REVIEW LETTERS, 2020, 125 (10)
[3]   Properties and Astrophysical Implications of the 150 M Binary Black Hole Merger GW190521 [J].
Abbott, B. P. ;
Abbott, R. ;
Abbott, T. D. ;
Abraham, S. ;
Acernese, F. ;
Ackley, K. ;
Adams, C. ;
Adhikari, R. X. ;
Adya, V. B. ;
Affeldt, C. ;
Agathos, M. ;
Agatsuma, K. ;
Aggarwal, N. ;
Aguiar, O. D. ;
Aiello, L. ;
Ain, A. ;
Ajith, P. ;
Allen, G. ;
Allocca, A. ;
Aloy, M. A. ;
Altin, P. A. ;
Amato, A. ;
Anand, S. ;
Ananyeva, A. ;
Anderson, S. B. ;
Anderson, W. G. ;
Angelova, S. V. ;
Antier, S. ;
Appert, S. ;
Arai, K. ;
Araya, M. C. ;
Areeda, J. S. ;
Arene, M. ;
Arnaud, N. ;
Aronson, S. M. ;
Ascenzi, S. ;
Ashton, G. ;
Aston, S. M. ;
Astone, P. ;
Aubin, F. ;
Aufmuth, P. ;
AultONeal, K. ;
Austin, C. ;
Avendano, V. ;
Avila-Alvarez, A. ;
Babak, S. ;
Bacon, P. ;
Badaracco, F. ;
Bader, M. K. M. ;
Bae, S. .
ASTROPHYSICAL JOURNAL LETTERS, 2020, 900 (01)
[4]   GW170817: Observation of Gravitational Waves from a Binary Neutron Star Inspiral [J].
Abbott, B. P. ;
Abbott, R. ;
Abbott, T. D. ;
Acernese, F. ;
Ackley, K. ;
Adams, C. ;
Adams, T. ;
Addesso, P. ;
Adhikari, R. X. ;
Adya, V. B. ;
Affeldt, C. ;
Afrough, M. ;
Agarwal, B. ;
Agathos, M. ;
Agatsuma, K. ;
Aggarwal, N. ;
Aguiar, O. D. ;
Aiello, L. ;
Ain, A. ;
Ajith, P. ;
Allen, B. ;
Allen, G. ;
Allocca, A. ;
Altin, P. A. ;
Amato, A. ;
Ananyeva, A. ;
Anderson, S. B. ;
Anderson, W. G. ;
Angelova, S. V. ;
Antier, S. ;
Appert, S. ;
Arai, K. ;
Araya, M. C. ;
Areeda, J. S. ;
Arnaud, N. ;
Arun, K. G. ;
Ascenzi, S. ;
Ashton, G. ;
Ast, M. ;
Aston, S. M. ;
Astone, P. ;
Atallah, D. V. ;
Aufmuth, P. ;
Aulbert, C. ;
AultONeal, K. ;
Austin, C. ;
Avila-Alvarez, A. ;
Babak, S. ;
Bacon, P. ;
Bader, M. K. M. .
PHYSICAL REVIEW LETTERS, 2017, 119 (16)
[5]   GWTC-1: A Gravitational-Wave Transient Catalog of Compact Binary Mergers Observed by LIGO and Virgo during the First and Second Observing Runs [J].
Abbott, B. P. ;
Abbott, R. ;
Abbott, T. D. ;
Abraham, S. ;
Acernese, F. ;
Ackley, K. ;
Adams, C. ;
Adhikari, R. X. ;
Adya, V. B. ;
Affeldt, C. ;
Agathos, M. ;
Agatsuma, K. ;
Aggarwal, N. ;
Aguiar, O. D. ;
Aiello, L. ;
Ain, A. ;
Ajith, P. ;
Allen, G. ;
Allocca, A. ;
Aloy, M. A. ;
Altin, P. A. ;
Amato, A. ;
Ananyeva, A. ;
Anderson, S. B. ;
Anderson, W. G. ;
Angelova, S., V ;
Antier, S. ;
Appert, S. ;
Arai, K. ;
Araya, M. C. ;
Areeda, J. S. ;
Arene, M. ;
Arnaud, N. ;
Arun, K. G. ;
Ascenzi, S. ;
Ashton, G. ;
Aston, S. M. ;
Astone, P. ;
Aubin, F. ;
Aufmuth, P. ;
AultONeal, K. ;
Austin, C. ;
Avendano, V ;
Avila-Alvarez, A. ;
Babak, S. ;
Bacon, P. ;
Badaracco, F. ;
Bader, M. K. M. ;
Bae, S. ;
Baker, P. T. .
PHYSICAL REVIEW X, 2019, 9 (03)
[6]   A gravitational-wave standard siren measurement of the Hubble constant [J].
Abbott, B. P. ;
Abbott, R. ;
Abbott, T. D. ;
Acernese, F. ;
Ackley, K. ;
Adams, C. ;
Adams, T. ;
Addesso, P. ;
Adhikari, R. X. ;
Adya, V. B. ;
Affeldt, C. ;
Afrough, M. ;
Agarwal, B. ;
Agathos, M. ;
Agatsuma, K. ;
Aggarwal, N. ;
Aguiar, O. D. ;
Aiello, L. ;
Ain, A. ;
Ajith, P. ;
Allen, B. ;
Allen, G. ;
Allocca, A. ;
Altin, P. A. ;
Amato, A. ;
Ananyeva, A. ;
Anderson, S. B. ;
Anderson, W. G. ;
Angelova, S. V. ;
Antier, S. ;
Appert, S. ;
Arai, K. ;
Araya, M. C. ;
Areeda, J. S. ;
Arnaud, N. ;
Arun, K. G. ;
Ascenzi, S. ;
Ashton, G. ;
Ast, M. ;
Aston, S. M. ;
Astone, P. ;
Atallah, D. V. ;
Aufmuth, P. ;
Aulbert, C. ;
AultO'Neal, K. ;
Austin, C. ;
Avila-Alvarez, A. ;
Babak, S. ;
Bacon, P. ;
Bader, M. K. M. .
NATURE, 2017, 551 (7678) :85-+
[7]   Gravitational Waves and Gamma-Rays from a Binary Neutron Star Merger: GW170817 and GRB 170817A [J].
Abbott, B. P. ;
Abbott, R. ;
Abbott, T. D. ;
Acernese, F. ;
Ackley, K. ;
Adams, C. ;
Adams, T. ;
Addesso, P. ;
Adhikari, R. X. ;
Adya, V. B. ;
Affeldt, C. ;
Afrough, M. ;
Agarwal, B. ;
Agathos, M. ;
Agatsuma, K. ;
Aggarwal, N. ;
Aguiar, O. D. ;
Aiello, L. ;
Ain, A. ;
Ajith, P. ;
Allen, B. ;
Allen, G. ;
Allocca, A. ;
Aloy, M. A. ;
Altin, P. A. ;
Amato, A. ;
Ananyeva, A. ;
Anderson, S. B. ;
Anderson, W. G. ;
Angelova, S. V. ;
Antier, S. ;
Appert, S. ;
Arai, K. ;
Araya, M. C. ;
Areeda, J. S. ;
Arnaud, N. ;
Arun, K. G. ;
Ascenzi, S. ;
Ashton, G. ;
Ast, M. ;
Aston, S. M. ;
Astone, P. ;
Atallah, D. V. ;
Aufmuth, P. ;
Aulbert, C. ;
AultONeal, K. ;
Austin, C. ;
Avila-Alvarez, A. ;
Babak, S. ;
Bacon, P. .
ASTROPHYSICAL JOURNAL LETTERS, 2017, 848 (02)
[8]  
Abbott B. P., 2021, ASTROPHYS J, V909, P218
[9]   GWTC-2: Compact Binary Coalescences Observed by LIGO and Virgo during the First Half of the Third Observing Run [J].
Abbott, R. ;
Abbott, T. D. ;
Abraham, S. ;
Acernese, F. ;
Ackley, K. ;
Adams, A. ;
Adams, C. ;
Adhikari, R. X. ;
Adya, V. B. ;
Affeldt, C. ;
Agathos, M. ;
Agatsuma, K. ;
Aggarwal, N. ;
Aguiar, O. D. ;
Aiello, L. ;
Ain, A. ;
Ajith, P. ;
Akcay, S. ;
Allen, G. ;
Allocca, A. ;
Altin, P. A. ;
Amato, A. ;
Anand, S. ;
Ananyeva, A. ;
Anderson, S. B. ;
Anderson, W. G. ;
Angelova, S., V ;
Ansoldi, S. ;
Antelis, J. M. ;
Antier, S. ;
Appert, S. ;
Arai, K. ;
Araya, M. C. ;
Areeda, J. S. ;
Arene, M. ;
Arnaud, N. ;
Aronson, S. M. ;
Arun, K. G. ;
Asali, Y. ;
Ascenzi, S. ;
Ashton, G. ;
Aston, S. M. ;
Astone, P. ;
Aubin, F. ;
Aufmuth, P. ;
AultONeal, K. ;
Austin, C. ;
Avendano, V ;
Babak, S. ;
Badaracco, F. .
PHYSICAL REVIEW X, 2021, 11 (02)
[10]   GW190814: Gravitational Waves from the Coalescence of a 23 Solar Mass Black Hole with a 2.6 Solar Mass Compact Object [J].
Abbott, R. ;
Abbott, T. D. ;
Abraham, S. ;
Acernese, F. ;
Ackley, K. ;
Adams, C. ;
Adhikari, R. X. ;
Adya, V. B. ;
Affeldt, C. ;
Agathos, M. ;
Agatsuma, K. ;
Aggarwal, N. ;
Aguiar, O. D. ;
Aich, A. ;
Aiello, L. ;
Ain, A. ;
Ajith, P. ;
Akcay, S. ;
Allen, G. ;
Allocca, A. ;
Altin, P. A. ;
Amato, A. ;
Anand, S. ;
Ananyeva, A. ;
Anderson, S. B. ;
Anderson, W. G. ;
Angelova, S., V ;
Ansoldi, S. ;
Antier, S. ;
Appert, S. ;
Arai, K. ;
Araya, M. C. ;
Areeda, J. S. ;
Arne, M. ;
Arnaud, N. ;
Aronson, S. M. ;
Arun, K. G. ;
Asali, Y. ;
Ascenzi, S. ;
Ashton, G. ;
Aston, S. M. ;
Astone, P. ;
Aubin, F. ;
Aufmuth, P. ;
AultONeal, K. ;
Austin, C. ;
Avendano, V ;
Babak, S. ;
Bacon, P. ;
Badaracco, F. .
ASTROPHYSICAL JOURNAL LETTERS, 2020, 896 (02)