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Title: Constraints on the Cosmic Expansion History from GWTC–3
Abstract We use 47 gravitational wave sources from the Third LIGO–Virgo–Kamioka Gravitational Wave Detector Gravitational Wave Transient Catalog (GWTC–3) to estimate the Hubble parameter H ( z ), including its current value, the Hubble constant H 0 . Each gravitational wave (GW) signal provides the luminosity distance to the source, and we estimate the corresponding redshift using two methods: the redshifted masses and a galaxy catalog. Using the binary black hole (BBH) redshifted masses, we simultaneously infer the source mass distribution and H ( z ). The source mass distribution displays a peak around 34 M ⊙ , followed by a drop-off. Assuming this mass scale does not evolve with the redshift results in a H ( z ) measurement, yielding H 0 = 68 − 8 + 12 km s − 1 Mpc − 1 (68% credible interval) when combined with the H 0 measurement from GW170817 and its electromagnetic counterpart. This represents an improvement of 17% with respect to the H 0 estimate from GWTC–1. The second method associates each GW event with its probable host galaxy in the catalog GLADE+ , statistically marginalizing over the redshifts of each event’s potential hosts. Assuming a fixed BBH population, we estimate a value of H 0 = 68 − 6 + 8 km s − 1 Mpc − 1 with the galaxy catalog method, an improvement of 42% with respect to our GWTC–1 result and 20% with respect to recent H 0 studies using GWTC–2 events. However, we show that this result is strongly impacted by assumptions about the BBH source mass distribution; the only event which is not strongly impacted by such assumptions (and is thus informative about H 0 ) is the well-localized event GW190814.  more » « less
Award ID(s):
2011334 2207920 2018420 1912632 2110507 2110460 2110360 1806990 2012057 2207728 2110060 2018299 2207594 2308833
PAR ID:
10425691
Author(s) / Creator(s):
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Date Published:
Journal Name:
The Astrophysical Journal
Volume:
949
Issue:
2
ISSN:
0004-637X
Page Range / eLocation ID:
76
Format(s):
Medium: X
Sponsoring Org:
National Science Foundation
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  1. Abstract We outline the “dark siren” galaxy catalog method for cosmological inference using gravitational wave (GW) standard sirens, clarifying some common misconceptions in the implementation of this method. When a confident transient electromagnetic counterpart to a GW event is unavailable, the identification of a unique host galaxy is in general challenging. Instead, as originally proposed by Schutz, one can consult a galaxy catalog and implement a dark siren statistical approach incorporating all potential host galaxies within the localization volume. Trott & Huterer recently claimed that this approach results in a biased estimate of the Hubble constant, H 0 , when implemented on mock data, even if optimistic assumptions are made. We demonstrate explicitly that, as previously shown by multiple independent groups, the dark siren statistical method leads to an unbiased posterior when the method is applied to the data correctly. We highlight common sources of error possible to make in the generation of mock data and implementation of the statistical framework, including the mismodeling of selection effects and inconsistent implementations of the Bayesian framework, which can lead to a spurious bias. 
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  2. Abstract Gravitational waves (GWs) from merging compact objects encode direct information about the luminosity distance to the binary. When paired with a redshift measurement, this enables standard-siren cosmology: a Hubble diagram can be constructed to directly probe the Universe’s expansion. This can be done in the absence of electromagnetic measurements, as features in the mass distribution of GW sources provide self-calibrating redshift measurements without the need for a definite or probabilistic host galaxy association. This “spectral siren” technique has thus far only been applied with simple parametric representations of the mass distribution, and theoretical predictions for features in the mass distribution are commonly presumed to be fundamental to the measurement. However, the use of an inaccurate representation leads to biases in the cosmological inference, an acute problem given the current uncertainties in true source population. Furthermore, it is commonly presumed that the form of the mass distribution must be known a priori to obtain unbiased measurements of cosmological parameters in this fashion. Here, we demonstrate that spectral sirens can accurately infer cosmological parameters without such prior assumptions. We apply a flexible, nonparametric model for the mass distribution of compact binaries to a simulated catalog of 1000 GW signals, consistent with expectations for the next LIGO–Virgo–KAGRA observing run. We find that, despite our model’s flexibility, both the source mass model and cosmological parameters are correctly reconstructed. We predict a 11.2%✎measurement ofH0, keeping all other cosmological parameters fixed, and a 6.4%✎measurement ofH(z= 0.9)✎when fitting for multiple cosmological parameters (1σuncertainties). This astrophysically agnostic spectral siren technique will be essential to arrive at precise and unbiased cosmological constraints from GW source populations. 
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  3. Abstract We introduce the first complete nonparametric model for the astrophysical distribution of the binary black hole (BBH) population. Constructed from basis splines, we use these models to conduct the most comprehensive data-driven investigation of the BBH population to date, simultaneously fitting nonparametric models for the BBH mass ratio, spin magnitude and misalignment, and redshift distributions. With GWTC-3, we report the same features previously recovered with similarly flexible models of the mass distribution, most notably the peaks in merger rates at primary masses of ∼10Mand ∼35M. Our model reports a suppressed merger rate at low primary masses and a mass-ratio distribution consistent with a power law. We infer a distribution for primary spin misalignments that peaks away from alignment, supporting conclusions of recent work. We find broad agreement with the previous inferences of the spin magnitude distribution: the majority of BBH spins are small (a< 0.5), the distribution peaks ata∼ 0.2, and there is mild support for a nonspinning subpopulation, which may be resolved with larger catalogs. With a modulated power law describing the BBH merger rate’s evolution in redshift, we see hints of the rate evolution either flattening or decreasing atz∼ 0.2–0.5, but the full distribution remains entirely consistent with a monotonically increasing power law. We conclude with a discussion of the astrophysical context of our new findings and how nonparametric methods in gravitational-wave population inference are uniquely poised to complement to the parametric approach as we enter the data-rich era of gravitational-wave astronomy. 
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  4. Abstract Gravitational-wave (GW) radiation from a coalescing compact binary is a standard siren, as the luminosity distance of each event can be directly measured from the amplitude of the signal. One possibility to constrain cosmology using the GW siren is to perform statistical inference on a population of binary black hole (BBH) events. In essence, this statistical method can be viewed as follows. We can modify the shape of the distribution of observed BBH events by changing the cosmological parameters until it eventually matches the distribution constructed from an astrophysical population model, thereby allowing us to determine the cosmological parameters. In this work, we derive the Cramér–Rao bound for both cosmological parameters and those governing the astrophysical population model from this statistical dark siren method by examining the Fisher information contained in the event distribution. Our study provides analytical insights and enables fast yet accurate estimations of the statistical accuracy of dark siren cosmology. Furthermore, we consider the bias in cosmology due to unmodeled substructures in the merger rate and mass distribution. We find that a 1% deviation in the astrophysical model can lead to a more than 1% error in the Hubble constant. This could limit the accuracy of dark siren cosmology when there are more than 104BBH events detected. 
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  5. Abstract Gravitational-wave (GW) detectors are observing compact object mergers from increasingly far distances, revealing the redshift evolution of the binary black hole (BBH)—and soon the black hole–neutron star (BHNS) and binary neutron star (BNS)—merger rate. To help interpret these observations, we investigate the expected redshift evolution of the compact object merger rate from the isolated binary evolution channel. We present a publicly available catalog of compact object mergers and their accompanying cosmological merger rates from population synthesis simulations conducted with the COMPAS software. To explore the impact of uncertainties in stellar and binary evolution, our simulations use two-parameter grids of binary evolution models that vary the common-envelope efficiency with mass transfer accretion efficiency and supernova (SN) remnant mass prescription with SN natal kick velocity, respectively. We quantify the redshift evolution of our simulated merger rates using the local (z∼ 0) rate, the redshift at which the merger rate peaks, and the normalized differential rates (as a proxy for slope). We find that although the local rates span a range of ∼103across our model variations, their redshift evolutions are remarkably similar for BBHs, BHNSs, and BNSs, with differentials typically within a factor 3 and peaks ofz≈ 1.2–2.4 across models. Furthermore, several trends in our simulated rates are correlated with the model parameters we explore. We conclude that future observations of the redshift evolution of the compact object merger rate can help constrain binary models for stellar evolution and GW formation channels. 
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