Radio sirens: inferring $H_0$ with binary black holes and neutral hydrogen in the era of the Einstein Telescope and the SKA Observatory

Resumen Técnico: Sirenas de Radio: Inferencia de $H_0$ con Agujeros Negros Binarios e Hidrógeno Neutro

Enunciado del Problema
La cosmología de ondas gravitacionales (OG) depende de las "sirenas estándar" para medir la tasa de expansión del Universo. Si bien las señales de OG provenientes de fusiones de agujeros negros binarios (BBH) proporcionan mediciones directas de la distancia de luminosidad, la extracción de parámetros cosmológicos requiere información independiente sobre el corrimiento al rojo. Las "sirenas brillantes" (eventos con contrapartes electromagnéticas) son raras, habiéndose observado solo una vez hasta la fecha. En consecuencia, el campo depende de las "sirenas oscuras", que infieren el corrimiento al rojo de manera estadística. Los métodos actuales de sirenas oscuras suelen utilizar catálogos de galaxias para construir priores de corrimiento al rojo a lo largo de la línea de visión (LoS) o emplean estadísticas resumidas como la correlación cruzada. Sin embargo, estos enfoques enfrentan desafíos relacionados con la completitud de los catálogos, los límites de flujo y la necesidad de modelado complejo de las funciones de luminosidad de las galaxias, particularmente a altos corrimientos al rojo. Este artículo aborda la necesidad de un prior de corrimiento al rojo espectroscópico robusto que aproveche la estructura a gran escala (LSS) del Universo sin depender de catálogos de galaxias discretos y potencialmente incompletos.

Metodología
Los autores proponen un nuevo marco denominado "sirenas de radio", que sinergiza observaciones simuladas del Telescopio Einstein (ET) y del Observatorio del Array Cuadrado Kilométrico (SKAO). La metodología emplea un marco de inferencia bayesiana jerárquica (HBI) para combinar datos de OG con datos de mapeo de intensidad de hidrógeno neutro (HI).

1. Simulaciones:

   • Mapas de Materia Oscura (DM) e HI: Se construyeron mapas falsos de LSS utilizando simulaciones de alta resolución del Universo de Energía Oscura y Neutrinos Masivos (DEMNUni). Estos se convirtieron en mapas de contraste de densidad de HI ($\delta_{HI}$) asumiendo una relación de sesgo lineal ($b_{HI}=1$) relativa al campo de DM. Los mapas cubren un área del cielo de $20,000 \text{ deg}^2$ hasta un corrimiento al rojo $z \sim 3$, correspondiente a las capacidades de SKA-Mid en modo de plato único.
   • Eventos de OG: Se simularon $10^4$ eventos de fusión de BBH para el ET. La tasa de fusión se modeló como una función del contraste de densidad de DM, asumiendo que las OG trazan la distribución de materia subyacente ($b_{GW}=1, \alpha_{GW}=0$). Los eventos se filtraron para incluir solo aquellos con una relación señal-ruido (SNR) $> 150$, resultando en $\sim 3,100$ eventos detectables. Se generaron dos catálogos: "OG Agrupadas" (distribuidas según el campo de DM) y "OG Isotrópicas" (distribuidas uniformemente).

2. Marco de Inferencia:

   • El análisis utiliza el software icarogw para realizar un análisis bayesiano jerárquico.
   • La innovación central es el uso del campo de densidad 3D de HI para construir un prior de corrimiento al rojo LoS para eventos de OG. En lugar de asignar probabilidades a galaxias discretas, el método utiliza el contraste de densidad continuo de HI para ponderar la probabilidad de que una fuente de OG resida en un corrimiento al rojo específico a lo largo de una línea de visión dada.
   • El análisis excluye explícitamente la información de la masa en el marco de la fuente (métodos de sirena espectral) para aislar el poder de restricción del prior de HI y evitar la dependencia de modelos astrofísicos específicos de masa.

Contribuciones Clave

• Concepto de Sirenas de Radio: El artículo introduce y prueba un enfoque de "sirenas de radio", utilizando el mapeo de intensidad de HI como un prior de corrimiento al rojo espectroscópico para sirenas oscuras. Esto ofrece una vista tomográfica de la LSS que elude los problemas de completitud inherentes a los catálogos de galaxias limitados por flujo.
• Validación de Prueba de Concepto: El estudio demuestra que combinar las detecciones de BBH del ET con los mapas de HI del SKAO puede estrechar significativamente las restricciones sobre los parámetros cosmológicos.
• Identificación de Riesgos Sistemáticos: Los autores prueban rigurosamente la sensibilidad del método al modelo de agrupamiento asumido. Al comparar las distribuciones de OG agrupadas versus isotrópicas, destacan que la validez del método depende de que la población de OG trace con precisión el campo de HI.

Resultados

• Restricción sobre $H_0$: Al analizar el catálogo de "OG Agrupadas" con el prior de HI, la constante de Hubble se restringe a $H_0 = 65.8^{+4.9}_{-5.2} \text{ km s}^{-1} \text{ Mpc}^{-1}$ con una credibilidad del 68%. Esto representa una precisión de $\sim 8\%$.
• Factor de Mejora: Este resultado constituye una mejora de aproximadamente el 90% en comparación con el análisis del mismo catálogo de OG agrupadas sin información de HI, donde el posterior sobre $H_0$ resultó ser en gran medida no informativo.
• Sensibilidad al Sesgo: En el escenario de "OG Isotrópicas" (donde las OG no trazan el campo de HI), la aplicación del prior de HI resultó en un sesgo significativo, sobreestimando $H_0$. Esto confirma que el método produce resultados sesgados si la relación de agrupamiento asumida entre las OG y la LSS es incorrecta.
• Historia de Expansión: La inclusión de datos de HI permite una reconstrucción de la historia de expansión a tiempos tardíos $H(z)$ hasta $z \sim 3$. Las restricciones son más estrechas a bajo corrimiento al rojo ($z \lesssim 0.5$), donde el contraste de densidad de HI es más alto, pero el método restringe principalmente la normalización general ($H_0$) en lugar de la forma detallada de la historia de expansión (por ejemplo, las restricciones sobre $\Omega_{m,0}$ permanecen débiles).
• Autoconsistencia: El marco recuperó con éxito los parámetros de sesgo inyectados ($b_{GW}, \alpha_{GW}$) cuando se permitió que variaran, lo que indica que el método es autoconsistente para la inferencia conjunta cosmológica y de agrupamiento.

Significado y Afirmaciones
El artículo afirma establecer la viabilidad básica del concepto de "sirenas de radio" como una ruta poderosa e independiente hacia la cosmología de precisión en la era de los detectores de OG de tercera generación y los radiotelescopios de próxima generación. Los autores enfatizan que este enfoque ofrece un prior de corrimiento al rojo motivado físicamente que explota la estructura 3D del Universo sin las correcciones de completitud requeridas por los catálogos de galaxias.

Sin embargo, los autores mantienen una postura modesta respecto a las limitaciones actuales. Reconocen que el estudio es una prueba de concepto basada en suposiciones optimistas, que incluyen:

• El trazado perfecto de la DM por el HI ($b_{HI}=1$) sin estocasticidad.
• El uso de aproximaciones de matriz de Fisher para la estimación de parámetros de OG.
• La negligencia de sistemáticos observacionales como efectos de haz, limpieza de fondos y problemas de calibración en los mapas de HI.
• La exclusión de información sobre el espectro de masas de BBH.

El artículo concluye que, si bien el método de sirenas de radio muestra promesa para restringir $H_0$ con una precisión de $\sim 8\%$ con $\sim 3,000$ eventos de alto SNR, el trabajo futuro debe abordar modelos astrofísicos realistas para los entornos de BBH, sistemáticos observacionales en el mapeo de intensidad, y el modelado conjunto de espectros de masas y agrupamiento para realizar plenamente el potencial de esta técnica.