[論文レビュー] The second data release from the European Pulsar Timing Array V. Search for continuous gravitational wave signals

John Antoniadis, P. Arumugam+98 more|arXiv (Cornell University)|Jun 28, 2023

Pulsars and Gravitational Waves Research参考文献 5被引用数 28

ひとこと要約

本論文は、European Pulsar Timing Array DR2データにおける連続重力波信号の探索を報告し、見つかった最も顕著な候補イベントを強調している。

ABSTRACT

We present the results of a search for continuous gravitational wave signals (CGWs) in the second data release (DR2) of the European Pulsar Timing Array (EPTA) collaboration. The most significant candidate event from this search has a gravitational wave frequency of 4-5 nHz. Such a signal could be generated by a supermassive black hole binary (SMBHB) in the local Universe. We present the results of a follow-up analysis of this candidate using both Bayesian and frequentist methods. The Bayesian analysis gives a Bayes factor of 4 in favor of the presence of the CGW over a common uncorrelated noise process, while the frequentist analysis estimates the p-value of the candidate to be 1%, also assuming the presence of common uncorrelated red noise. However, comparing a model that includes both a CGW and a gravitational wave background (GWB) to a GWB only, the Bayes factor in favour of the CGW model is only 0.7. Therefore, we cannot conclusively determine the origin of the observed feature, but we cannot rule it out as a CGW source. We present results of simulations that demonstrate that data containing a weak gravitational wave background can be misinterpreted as data including a CGW and vice versa, providing two plausible explanations of the EPTA DR2 data. Further investigations combining data from all PTA collaborations will be needed to reveal the true origin of this feature.

研究の動機と目的

• European Pulsar Timing ArrayのDR2データを用いて、連続重力波の探索を動機づけ、制約を課す。
• DR2データセットにおけるCGWの感度と検出統計を特徴づける。
• 最も顕著な候補CGWイベントを同定・報告し、その有意性を評価する。

提案手法

• DR2 PTAデータにおける連続重力波信号の探索を実施する。
• パルサー時刻残差におけるCGW信号抽出手法を適用する。
• 候補イベントを評価し、ノイズと比較した有意性を定量化する。
• 堅牢な検出が得られない場合は、CGWひずみの上限を設定するためにデータを掘り下げる。

Figure 1 : $\mathcal{F}_{e}$ -statistic of the candidate source at $f_{gw}=4.64$ nHz averaged over the noise uncertainties for the custom PSRN model. The black star shows the position of highest $\mathcal{F}_{e}$ , whereas the red stars show the positions of the pulsars. The Fornax and Virgo cluster

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 EPTAのDR2データセットに連続重力波信号を検出できるか？
• RQ2 DR2における最も有意なCGW候補の有意性はどの程度で、ノイズ期待値とどう比較されるか？
• RQ3 DR2から導出できるCGWひずみの上限はどれくらいか？
• RQ4 DR2のCGW探索結果はCGW母集団モデルをどのように制約するか？
• RQ5 CGW信号を模倣し得るDR2の系統的効果はあるか？

主な発見

• DR2におけるCGWの探索はEPTAデータセットを用いて実施された。
• DR2探索で最も顕著なCGW候補イベントが特定された。
• 本論文はこの候補の有意性を定量化し、その解釈について論じる。
• 抜粋には決定的な検出の主張は含まれておらず、候補はノイズ期待値と比較して評価されている。
• 本研究は、CGWの感度と、DR2および今後のデータリリースに適用可能な手法に関する文脈を提供する。

Figure 2 : Distribution of $\mathcal{F}_{e}$ -statistic over the noise uncertainties without CURN (blue) and with CURN (orange) at 4.64 nHz. The null distributions of the $\mathcal{F}_{e}$ are obtained from the analysis of the EPTA DR2new data with scrambled sky positions (grey shaded region) and fr