[論文レビュー] The NANOGrav 12.5-year Data Set: Bayesian Limits on Gravitational Waves from Individual Supermassive Black Hole Binaries

Zaven Arzoumanian, P. T. Baker+76 more|arXiv (Cornell University)|Jan 9, 2023

Cosmology and Gravitation Theories被引用数 10

ひとこと要約

本論文は NANOGrav 12.5-year パルサー時系列データを用いて、個々の超大質量ブラックホール連星（SMBHBs）からの重力波に対するベイズ的限界を確立している。提供されたテキストには明示的な検出は主張されていない。

ABSTRACT

Pulsar timing array collaborations, such as the North American Nanohertz Observatory for Gravitational Waves (NANOGrav), are seeking to detect nanohertz gravitational waves emitted by supermassive black hole binaries formed in the aftermath of galaxy mergers. We have searched for continuous waves from individual circular supermassive black hole binaries using the NANOGrav's recent 12.5-year data set. We created new methods to accurately model the uncertainties on pulsar distances in our analysis, and we implemented new techniques to account for a common red noise process in pulsar timing array data sets while searching for deterministic gravitational wave signals, including continuous waves. As we found no evidence for continuous waves in our data, we placed 95\% upper limits on the strain amplitude of continuous waves emitted by these sources. At our most sensitive frequency of 7.65 nanohertz, we placed a sky-averaged limit of $h_0 < $ $(6.82 \pm 0.35) imes 10^{-15}$, and $h_0 <$ $(2.66 \pm 0.15) imes 10^{-15}$ in our most sensitive sky location. Finally, we placed a multi-messenger limit of $\mathcal{M} <$ $(1.41 \pm 0.02) imes 10^9 M_\odot$ on the chirp mass of the supermassive black hole binary candidate 3C~66B.

研究の動機と目的

• NANOGrav データを用いて個々の超大質量ブラックホール連星からの重力波を制約する動機付け。
• パルサー時系列残差に対してベイズ推論手法を適用して SMBHB GW 信号を探索する。
• パラメータ空間全体に渡る個々の連星に対する GW 応力の上限を定量化する。
• PTA データを用いた GW 探索の現状に貢献する結果を提供する。

提案手法

• ベイズ技術を用いて NANOGrav 12.5-year パルサー時系列データを分析する。
• パルサー時系列残差中の個々の SMBHB からの重力波信号をモデル化する。
• GW 応力振幅の事後分布と上限を算出する。
• ベイズ的限界を以前の制約や前データリリースと比較する。

Figure 1: Top page of the AAS Journals’ website, http://journals.aas.org , on October 15, 2017. Each RNAAS manuscript is only allowed one figure or table (but not both). Including the data behind the figure in a Note is encouraged, and the data will be provided as a link in the published Note.

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 12.5-year PTA データを用いて個々の SMBHB からの重力波応力に対してどのような上限を設定できるか？
• RQ2 データは個々の超大質量ブラックホール連星からの重力波の証拠を示しているか？
• RQ3 ベイズ的限界は以前の NANOGrav データリリースや他の PTA 分析の限界とどう比較されるか？
• RQ4 データセットによって SMBHB パラメータ空間のどの領域（例：周波数、天空位置）が最も制約を受けるか？

主な発見

• ベイズ分析により、12.5-year データセットを用いた個々の SMBHB からの重力波応力の上限が得られる。
• 提供されたテキストには個々の SMBHB からの GW 信号の決定的な検出は報告されていない。
• 拡張データ期間によって SMBHB GW 探索の最新の制約に寄与する。
• 結果は将来の PTA 分析と連続 GW ソース検出に向けた感度目標を informing する。