Título: The Hitchhiker’s guide to the galaxy catalog approach for dark siren gravitational wave-cosmology
Autores: Jonathan R. Gair, Archisman Ghosh, Rachel Gray, Daniel E. Holz, Simone Mastrogiovanni, Suvodip Mukherjee, Antonella Palmese, Nicola Tamanini, Tessa Baker, Freija Beirnaert, Maciej Bilicki, Hsin-Yu Chen, Gergely Dalya, Jose Maria Ezquiaga, Will M. Farr, Maya Fishbach, Juan Garcia-Bellido, Tathagata Ghosh, Hsiang-Yu Huang, Christos Karathanasis, Konstantin Leyde, Ignacio Magaña Hernandez, Johannes Noller, Gregoire Pierra, Peter Raffai, Antonio Enea Romano, Monica Seglar-Arroyo, Daniéle A. Steer, Cezary Turski, Maria Paola Vaccaro, Sergio Andrés Vallejo-Peña
Instituição do primeiro autor: Max Planck Institute for Gravitationsphysik (Albert Einstein Institute)
Status: Submetido a ApJ
Um guia para o guia
Em 2015, a espetacular detecção de ondas gravitacionais movimentou o mundo da astrofísica. Sem nem completar uma década depois, elas já têm o título de sirenes padrão e começaram a abalar o campo da cosmologia. Mas como?
Dica 1: Sempre carregue sua régua
Se o nome “sirene padrão” é familiar, não é coincidência. Ondas gravitacionais são sirenes padrão da mesma forma que as Supernovas do Tipo Ia são velas padrão: ambas servem para medir distâncias cosmológicas, que, por sua vez, podem medir parâmetros cosmológicos que definem a história da expansão do universo. A principal diferença por trás de seus nomes é que as velas são visíveis, já as ondas gravitacionais são “ouvidas“.
Ondas gravitacionais são produzidas quando dois objetos massivos, como buracos negros, espiralam em direção ao outro. Essa espiral produz ondas no espaço-tempo, similar a ondas sonoras se propagando através do ar ou ondulações num lago. As ondas gravitacionais são especiais porque elas possuem dois estados de polarização (veja as figuras abaixo), cada um porduzindo ondas com amplitudes definidas pela relatividade geral. Essas amplitudes dependem de propriedades do sistema que gerou as ondas gravitacionais como seu chirp mass (descrito pelas massas dos objetos em decaimento orbital), o ângulo do sistema em relação à linha de visada, assim como a distância do sistema. Um observador pode ajustar uma observação de um onda gravitacional a um modelo para determinar seu chirp mass e inclinação e, depois disso, a distância até a fonte. Essa é uma extraordinária medida de distância cosmológica, pois é obtida apenas com a relatividade geral, completamente independente de qualquer propriedade de escada cosmológica.
Dica 2: Não existe nada “fácil” na Astrofísica
Só há um problema com as sirenes padrão: elas possuem uma degenerescência de massa-redshift. Uma binária compacta com baixo redshift pode parecer menos massiva com reshift mais alto. No entanto, se a onda gravitacional tiver sua contrapartida onda eletromagnética, ou se sua galáxia hospedeira for conhecida, seu espectro pode ser usado para determinar o redshift da onda gravitacional e quebrar a degenerescência. Infelizmente, a grande maioria dos eventos detectados não possuem onda electromagnética. Então o que fazer?
Dica 3: Não dá para fugir da estatística
Uma forma de evitar a degenerescência é o método sirene escura + catálogo de galáxia que é também conhecido apenas como método da sirene escura. Nesse método, astrônomos definem um local onde é provável que a onda gravitacional originou-se e usam catálogos de galáxias para determinar todas as potenciais galáxias hospedeiras dentro dessa área. Então, faz-se a média dos redshifts de todas as galáxias para estimar o redshift da onda gravitacional.
Embora existam inconsistências, os autores do artigo mostraram que o método pode produzir um medida não enviesada da constante de Hubble. Eles demonstraram isso ao simular 200 ondas gravitacionais de quatro áreas em forma de cone: D₁₁, D₁₅, D₂₁, D₂₅. O primeiro índice representa a direção de observação (1 ou 2), enquanto que o segundo número representa a abertura angular inicial (1º ou 5º). Eles também testaram os efeitos do tamanho da localização da onda gravitacional introduzindo erro à distância de luminosidade de 10%, 20% e 30%. As probabilidades de medir certos valores da constante de Hubble sob essas condições são mostradas na Figura 1. Volumes maiores correspondem a menor capacidade de estimar a constante de Hubble.
Dica 4: Não dá para fugir da estatística, mas dá para terceirizar
Embora os autores tenham conseguido produzir estimadores não enviesados da constante de Hubble, isso pode não ser possível se eles falharem em considerar o método estatístico. Por exemplo, os autores destacaram um aspecto crucial de suas simulações, a inclusão de eventos que ocorrem além do limiar de detecção. Isso parece ser contra intuitivo, flutuações ruidosas podem permitir que esses eventos sejam observados, e esquecer dessas flutuações pode induzir um viés no resultados de parâmetros cosmológicos. Mas o que mais pode ser feito?
Felizmente, os autores já fizeram todo esse trabalho, apontando algumas dificuldades que podem ser encontradas com o método de sirene escura. Embora isso vá além do que mostramos no Astropontos, deixamos como exercício para o leitor. O The Hitchhiker’s guide to the galaxy catalog approach for gravitational wave cosmology serve como uma boa introdução ao método de sirene escura.
Figura 2: Nota de rodapé do artigo: “O espaço é grande. Muito grande. Você não pode acreditar o quão grande incompreensivelmente grande ele é.”
Créditos da imagem de destaque: NASA.
Adaptado do Astrobite “A Guide to the Guide on the Guide to The Galaxy Catalog Approach for Dark Siren Gravitational Wave-Cosmology“, escrito por Kayla Kornoelje.
Astropontos 