We explore the use of the mass spectrum of neutron stars and black holes in gravitational-wave compact binary sources as a cosmological probe. These standard siren sources provide direct measurements of luminosity distance. In addition, features in the mass distribution, such as mass gaps or peaks, will redshift and thus provide independent constraints on their redshift distribution. We argue that the entire mass spectrum should be utilized to provide cosmological constraints. For example, we find that the mass spectrum of LIGO-Virgo-KAGRA events introduces at least five independent mass “features”: the upper and lower edges of the pair instability supernova (PISN) gap, the upper and lower edges of the neutron star–black hole gap, and the minimum neutron star mass. We find that although the PISN gap dominates the cosmological inference with current detectors (second generation, 2G), as shown in previous work, it is the lower mass gap that will provide the most powerful constraints in the era of Cosmic Explorer and Einstein Telescope (third generation, 3G). By using the full mass distribution, we demonstrate that degeneracies between mass evolution and cosmological evolution can be broken, unless an astrophysical conspiracy shifts all features of the full mass distribution simultaneously following the (nontrivial) Hubble diagram evolution. We find that this self-calibrating “spectral siren” method has the potential to provide precision constraints of both cosmology and the evolution of the mass distribution, with 2G achieving better than 10% precision on $H(z)$ at $z\lesssim 1$ within a year and 3G reaching $\lesssim 1\%$ at $z\gtrsim 2$ within one month.

中文翻译：

---

光谱警报器：紧凑型双星全质量分布的宇宙学

我们探索在引力波致密双星源中使用中子星和黑洞的质谱作为宇宙学探测器。这些标准警笛源提供光度距离的直接测量。此外，质量分布中的特征，例如质量间隙或峰，将发生红移，从而对其红移分布提供独立的约束。我们认为应该利用整个质谱来提供宇宙学约束。例如，我们发现 LIGO-Virgo-KAGRA 事件的质谱引入了至少五个独立的质量“特征”：对不稳定超新星 (PISN) 间隙的上边缘和下边缘，中子星的上边缘和下边缘——黑洞间隙，以及最小的中子星质量。我们发现，尽管 PISN 间隙在当前探测器（第二代，2G）的宇宙学推断中占主导地位，但正如之前的工作所示，在 Cosmic Explorer 和 Einstein Telescope 时代，较低的质量间隙将提供最强大的约束（第三代，3G）。通过使用完整的质量分布，我们证明可以打破质量演化和宇宙演化之间的简并，除非天体物理学阴谋在（非平凡的）哈勃图演化之后同时改变了完整质量分布的所有特征。我们发现这种自校准的“光谱警报器”方法有可能提供宇宙学和质量分布演变的精度约束，2G 在 如先前的工作所示，在宇宙探索者和爱因斯坦望远镜（第三代，3G）时代，较低的质量差距将提供最强大的约束。通过使用完整的质量分布，我们证明可以打破质量演化和宇宙演化之间的简并，除非天体物理学阴谋在（非平凡的）哈勃图演化之后同时改变了完整质量分布的所有特征。我们发现这种自校准的“光谱警报器”方法有可能提供宇宙学和质量分布演变的精度约束，2G 在 如先前的工作所示，在宇宙探索者和爱因斯坦望远镜（第三代，3G）时代，较低的质量差距将提供最强大的约束。通过使用完整的质量分布，我们证明可以打破质量演化和宇宙演化之间的简并，除非天体物理学阴谋在（非平凡的）哈勃图演化之后同时改变了完整质量分布的所有特征。我们发现这种自校准的“光谱警报器”方法有可能提供宇宙学和质量分布演变的精度约束，2G 在 通过使用完整的质量分布，我们证明可以打破质量演化和宇宙演化之间的简并，除非天体物理学阴谋在（非平凡的）哈勃图演化之后同时改变了完整质量分布的所有特征。我们发现这种自校准的“光谱警报器”方法有可能提供宇宙学和质量分布演变的精度约束，2G 在 通过使用完整的质量分布，我们证明可以打破质量演化和宇宙演化之间的简并，除非天体物理学阴谋在（非平凡的）哈勃图演化之后同时改变了完整质量分布的所有特征。我们发现这种自校准的“光谱警报器”方法有可能提供宇宙学和质量分布演变的精度约束，2G 在$H(z)$在$z\lesssim 1$一年内3G到达$\lesssim 1\%$在$z\gtrsim 2$一个月内。