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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
NSF-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

    The mass, spin, and merger rate distribution of the binary black holes (BBHs) across cosmic redshifts provide a unique way to shed light on their formation channel. Along with the redshift dependence of the BBH merger rate, the mass distribution of BBHs can also exhibit redshift dependence due to different formation channels and dependence on the metallicity of the parent stars. We explore the redshift dependence of the BBH mass distribution jointly with the merger rate evolution from the third gravitational wave (GW) catalogue GWTC-3 of the LIGO–Virgo–KAGRA collaboration. We study possible connections between peak-like features in the mass spectrum of BBHs and processes related to supernovae physics and time delay distributions. We obtain a preference for short-time delays between star formation and BBH mergers. Using a power-law form for the time delay distribution ($(t^{\rm min}_d)^{d}$), we find d < −0.7 credible at 90  per cent interval. The mass distribution of the BBHs could be fitted with a power-law form with a redshift-dependent peak feature that can be linked to the pair instability supernovae (PISN) mass-scale MPISN(Z*) at a stellar metallicity Z*. For a fiducial value of the stellar metallicity Z* = 10−4, we find the $\rm M_{\rm PISN}(Z_*)=44.4^{+7.9}_{-6.3}$$\rm M_\odot$. This is in accordance with the theoretical prediction of the lower edge of the PISN mass-scale and differs from previous analyses. Although we find a strong dependence of the PISN value on metallicity, the model that we explored is not strongly favoured over those that do not account for metallicity as the Bayes factors are inconclusive. In the future with more data, evidence towards metallicity dependence of the PISN will have a significant impact on our understanding of stellar physics.

     
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  2. 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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  3. ABSTRACT

    Modified theories of gravity predict deviations from general relativity (GR) in the propagation of gravitational waves (GWs) across cosmological distances. A key prediction is that the GW luminosity distance will vary with redshift, differing from the electromagnetic (EM) luminosity distance due to varying effective Planck mass. We introduce a model-independent, data-driven approach to explore these deviations using multimessenger observations of dark standard sirens [binary black holes (BBH)]. By combining GW luminosity distance measurements from dark sirens with baryon acoustic oscillation measurements, BBH redshifts inferred from cross-correlation with spectroscopic or photometric galaxy surveys, and sound horizon measurements from the cosmic microwave background, we can make a data-driven test of GR (jointly with the Hubble constant) as a function of redshift. Using the multimessenger technique with the spectroscopic DESI galaxy survey, we achieve precise measurements of deviations in the effective Planck mass variation with redshift. For the Cosmic Explorer and Einstein Telescope (CEET), the best precision is approximately 3.6 per cent, and for LIGO–Virgo–KAGRA (LVK), it is 7.4 per cent at a redshift of $\rm {z = 0.425}$. Additionally, we can measure the Hubble constant with a precision of about 1.1 per cent from CEET and 7 per cent from LVK over 5 yr of observation with a 75 per cent duty cycle. We also explore the potential of cross-correlation with photometric galaxy surveys from the Rubin Observatory, extending measurements up to a redshift of $\rm {z \sim 2.5}$. This approach can reveal potential deviations from models affecting GW propagation using numerous dark standard sirens in synergy with DESI and the Rubin Observatory.

     
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  4. 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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  5. 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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