[論文レビュー] Search for scalar induced gravitational waves in the International Pulsar Timing Array Data Release 2 and NANOgrav 12.5 years datasets

Virgile Dandoy, Valerie Domcke+1 more|arXiv (Cornell University)|Feb 15, 2023

Cosmology and Gravitation Theories参考文献 104被引用数 9

ひとこと要約

著者らは IPTA DR2 および NG12 データセットにおけるスカラー誘起重力波のベイズ探索を実施し、IPTA DR2 は天体起源バックグラウンドを支持する一方で NG12 はスカラー誘起と SMBHB バックグラウンドの両方を適合させることができると報告している。小スケールでの曲率パワー スペクトルの上限を導出する。

ABSTRACT

We perform a Bayesian search in the latest Pulsar Timing Array (PTA) datasets for a stochastic gravitational wave (GW) background sourced by curvature perturbations at scales $10^5~ ext{Mpc}^{-1}\lesssim k\lesssim 10^8~ ext{Mpc}^{-1}$. These re-enter the Hubble horizon at temperatures around and below the QCD crossover phase transition in the early Universe. We include a stochastic background of astrophysical origin in our search and properly account for constraints on the curvature power spectrum from the overproduction of primordial black holes (PBHs). We find that the International PTA Data Release 2 significantly favors the astrophysical model for its reported common-spectrum process, over the curvature-induced background. On the other hand, the two interpretations fit the NANOgrav 12.5 years dataset equally well. We then set new upper limits on the amplitude of the curvature power spectrum at small scales. These are independent from, and competitive with, indirect astrophysical bounds from the abundance of PBH dark matter. Upcoming PTA data releases will provide the strongest probe of the curvature power spectrum around the QCD epoch.

研究の動機と目的

• 小スケール（k ~ 10^5–10^8 Mpc^-1）での曲率摂動に起源する確率的 GW 背景を PTA データセットを用いて動機づけ、探索する。
• 天体物理学的 SMBHB 背景と PBH-ベースの制約を組み込み、曲率誘起 GW 信号の妥当性を評価する。
• 対数正規の P_zeta(k) を用いて広いピークと狭いピークを調べ、PBH ベースの上限を導出する。
• 特に PBH 過剰生成と QCD 時代のダイナミクスなど、宇宙論的制約がスカラー誘起 GW の解釈に与える影響を定量化する。

提案手法

• スカラー誘起GWスペクトルモデル Omega_gw h^2 ~ 1.9×10^-9 (A_zeta/0.01)^2 ... S(f/f_*) (App. A) およびピークを k_*、幅を Delta とする対数正規の P_zeta(k) を採用。
• GW 信号を A_zeta, k_*, Delta でパラメータ化し、振幅 A_SMBHBs を持つ SMBHB 背景を含める。
• PBH 過剰生成制約を課して A_zeta を制限し、Delta=1（広い）と Delta=0.05（狭い）のケースを探索。
• IPTA DR2 および NG12 の timing-residual クロスパワースペクトル密度と重なり削減関数 Overlap Reduction Function、自己相関項を用いる。
• g_* および g_*s(T_*) の依存を考慮し、NG12 および IPTA DR2 分析（App. C）と整合する事前分布とノイズ推定を適用。
• Delta ≤ 0.5 の IR テール近似には改良された解析近似を用いる（App. A）。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 小スケールの曲率摂動からのスカラー誘起 GW 背背景は IPTA DR2 および NG12 の共通スペクトル信号を説明できるか？
• RQ2 PBH 過剰生成制約は PTA スケールでの A_zeta の振幅をどの程度制限するか？
• RQ3 両方を含めた場合、IPTA DR2 および NG12 データセットにおけるスカラー誘起 GW と SMBHB 背景の相対尤度はどうなるか？
• RQ4 SMBHB 背景が存在する場合、曲率パワースペクトル振幅 A_zeta の上限はどの程度か？
• RQ5 ピークの幅 Delta およびピークの位置 k_* は PTA データの解釈と制約にどう影響するか？

主な発見

• IPTA DR2 のデータは共通スペクトル過程について曲率誘起 GW 背景より天体物理的 SMBHB 背景を支持する。
• NG12 のデータはスカラー誘起と SMBHB 背景の両方に対して同等の適合を与え、どちらの解釈も可能である。
• PBH 過剰生成制約は Delta に依存して A_zeta の上限を強く課すものであり、Delta=1 または 0.05 の場合には特定の仮定下で A_zeta ≲ ~0.01–0.04。
• 最大尤度のスカラー誘起 GW スペクトラは k_* ~ 数×10^6 Mpc^-1 および Delta ~ O(1) で得られるが、PBH 制約が許容領域を制限する。
• SMBHB 背景を含める場合、曲率パワースペクトル振幅 A_zeta の 95% CL 上限が PBH ベースの間接制約とは独立して導かれる。
• 今後の PTA データ公開は QCD エポック付近の曲率パワースペクトルの最も強力な探査になる。