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

Resumo Técnico: Sirenes de Rádio: Inferindo $H_0$ com Buracos Negros Binários e Hidrogênio Neutro

Declaração do Problema
A cosmologia de ondas gravitacionais (OG) depende de "sirenes padrão" para medir a taxa de expansão do Universo. Embora os sinais de OG provenientes de fusões de buracos negros binários (BBH) forneçam medições diretas da distância de luminosidade, a extração de parâmetros cosmológicos requer informações independentes sobre o desvio para o vermelho (redshift). As "sirenes brilhantes" (eventos com contrapartes eletromagnéticas) são raras, tendo sido observadas apenas uma vez até a data presente. Consequentemente, o campo depende de "sirenes escuras", que inferem o redshift estatisticamente. Os métodos atuais de sirenes escuras geralmente utilizam catálogos de galáxias para construir priores de redshift ao longo da linha de visada (LoS) ou empregam estatísticas de resumo, como correlação cruzada. No entanto, essas abordagens enfrentam desafios relacionados à completude dos catálogos, limites de fluxo e à necessidade de modelagem complexa das funções de luminosidade das galáxias, particularmente em altos redshifts. Este artigo aborda a necessidade de um prior de redshift espectroscópico robusto que aproveite a estrutura em grande escala (LSS) do Universo sem depender de catálogos de galáxias discretos e potencialmente incompletos.

Metodologia
Os autores propõem uma nova estrutura denominada "sirenes de rádio", que sinergiza observações simuladas do Telescópio Einstein (ET) e do Observatório Square Kilometre Array (SKAO). A metodologia emprega uma estrutura de inferência bayesiana hierárquica (HBI) para combinar dados de OG com dados de mapeamento de intensidade de hidrogênio neutro (HI).

1. Simulações:

   • Mapas de Matéria Escura (ME) e HI: Mapas fictícios de LSS foram construídos utilizando simulações de alta resolução do Universo de Energia Escura e Neutrinos Massivos (DEMNUni). Estes foram convertidos em mapas de contraste de densidade de HI ($\delta_{HI}$), assumindo uma relação de viés linear ($b_{HI}=1$) em relação ao campo de ME. Os mapas cobrem uma área de céu de $20.000 \text{ deg}^2$ até o redshift $z \sim 3$, correspondendo às capacidades do SKA-Mid no modo de disco único.
   • Eventos de OG: $10^4$ eventos de fusão de BBH foram simulados para o ET. A taxa de fusão foi modelada como uma função do contraste de densidade de ME, assumindo que as OGs traçam a distribuição subjacente de matéria ($b_{GW}=1, \alpha_{GW}=0$). Os eventos foram filtrados para incluir apenas aqueles com uma relação sinal-ruído (SNR) $> 150$, resultando em $\sim 3.100$ eventos detectáveis. Dois catálogos foram gerados: "OGs Agrupadas" (distribuídas de acordo com o campo de ME) e "OGs Isotrópicas" (distribuídas uniformemente).

2. Estrutura de Inferência:

   • A análise utiliza o software icarogw para realizar a análise bayesiana hierárquica.
   • A inovação central é o uso do campo de densidade 3D de HI para construir um prior de redshift LoS para eventos de OG. Em vez de atribuir probabilidades a galáxias discretas, o método utiliza o contraste de densidade de HI contínuo para ponderar a probabilidade de uma fonte de OG residir em um redshift específico ao longo de uma dada linha de visada.
   • A análise exclui explicitamente informações sobre a massa no referencial da fonte (métodos de sirene espectral) para isolar o poder de restrição do prior de HI e evitar dependência de modelos astrofísicos específicos de massa.

Principais Contribuições

• Conceito de Sirenes de Rádio: O artigo introduz e testa uma abordagem de "sirene de rádio", utilizando o mapeamento de intensidade de HI como um prior de redshift espectroscópico para sirenes escuras. Isso oferece uma visão tomográfica da LSS que contorna os problemas de completude inerentes aos catálogos de galáxias limitados por fluxo.
• Validação de Prova de Conceito: O estudo demonstra que a combinação de detecções de BBH do ET com mapas de HI do SKAO pode apertar significativamente as restrições sobre parâmetros cosmológicos.
• Identificação de Riscos Sistemáticos: Os autores testam rigorosamente a sensibilidade do método ao modelo de agrupamento assumido. Ao comparar distribuições de OGs agrupadas versus isotrópicas, eles destacam que a validade do método é contingente à população de OGs traçar com precisão o campo de HI.

Resultados

• Restrição sobre $H_0$: Ao analisar o catálogo de "OGs Agrupadas" com o prior de HI, a constante de Hubble é restringida a $H_0 = 65.8^{+4.9}_{-5.2} \text{ km s}^{-1} \text{ Mpc}^{-1}$ com 68% de credibilidade. Isso representa uma precisão de $\sim 8\%$.
• Fator de Melhoria: Este resultado constitui uma melhoria de aproximadamente 90% em comparação com a análise do mesmo catálogo de OGs agrupadas sem informações de HI, onde o posterior sobre $H_0$ foi encontrado como amplamente não informativo.
• Sensibilidade ao Viés: No cenário de "OGs Isotrópicas" (onde as OGs não traçam o campo de HI), a aplicação do prior de HI resultou em um viés significativo, superestimando $H_0$. Isso confirma que o método produz resultados enviesados se a relação de agrupamento assumida entre as OGs e a LSS estiver incorreta.
• História de Expansão: A inclusão de dados de HI permite uma reconstrução da história de expansão em tempos tardios $H(z)$ até $z \sim 3$. As restrições são mais apertadas em baixos redshifts ($z \lesssim 0.5$), onde o contraste de densidade de HI é mais alto, mas o método restringe principalmente a normalização geral ($H_0$) em vez da forma detalhada da história de expansão (por exemplo, as restrições sobre $\Omega_{m,0}$ permanecem fracas).
• Autoconsistência: A estrutura recuperou com sucesso os parâmetros de viés injetados ($b_{GW}, \alpha_{GW}$) quando permitidos a variar, indicando que o método é autoconsistente para inferência cosmológica e de agrupamento conjunta.

Significado e Alegações
O artigo alega estabelecer a viabilidade básica do conceito de "sirene de rádio" como uma rota poderosa e independente para a cosmologia de precisão na era dos detectores de OG de terceira geração e dos radiotelescópios de próxima geração. Os autores enfatizam que essa abordagem oferece um prior de redshift motivado fisicamente que explora a estrutura 3D do Universo sem as correções de completude exigidas por catálogos de galáxias.

No entanto, os autores mantêm uma postura modesta quanto às limitações atuais. Eles reconhecem que o estudo é uma prova de conceito baseada em suposições otimistas, incluindo:

• Rastreamento perfeito da ME pelo HI ($b_{HI}=1$) sem estocasticidade.
• O uso de aproximações de matriz de Fisher para a estimativa de parâmetros de OG.
• A negligência de sistemáticos observacionais, como efeitos de feixe, limpeza de foregrounds e problemas de calibração em mapas de HI.
• A exclusão de informações sobre o espectro de massa de BBH.

O artigo conclui que, embora o método de sirene de rádio mostre promessa para restringir $H_0$ a uma precisão de $\sim 8\%$ com $\sim 3.000$ eventos de alto SNR, trabalhos futuros devem abordar modelos astrofísicos realistas para ambientes de BBH, sistemáticos observacionais no IM e a modelagem conjunta de espectros de massa e agrupamento para realizar plenamente o potencial dessa técnica.