[논문 리뷰] Multi-Messenger Gravitational Wave Searches with Pulsar Timing Arrays: Application to 3C66B Using the NANOGrav 11-year Data Set

Zaven Arzoumanian, P. T. Baker외 57명|arXiv (Cornell University)|2020. 05. 14.

Pulsars and Gravitational Waves Research참고 문헌 3인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 펄서 타이밍 어레이(PTA)를 사용한 다중 메신저 중력파 탐색을 제시하며, 이중성계 3C66B의 전자기(EM) 제약 조건을 적용하여 감도를 향상시킨다. 베이지안 탐색에서 X선 및 라디오 궤도 주기 데이터를 사전 확률으로 통합함으로써, 3C66B의 치르프 질량에 대한 95% 신뢰구간 상한선은 $(1.65\pm 0.02)\times 10^9~{}M_{\odot}$로 약 4.3배 향상되었으며, 주파수가 제약 조건이 주어질 경우 망각된 탐색 대비 약 10배의 감도 향상을 보였다.

ABSTRACT

When galaxies merge, the supermassive black holes in their centers may form binaries and, during the process of merger, emit low-frequency gravitational radiation in the process. In this paper we consider the galaxy 3C66B, which was used as the target of the first multi-messenger search for gravitational waves. Due to the observed periodicities present in the photometric and astrometric data of the source of the source, it has been theorized to contain a supermassive black hole binary. Its apparent 1.05-year orbital period would place the gravitational wave emission directly in the pulsar timing band. Since the first pulsar timing array study of 3C66B, revised models of the source have been published, and timing array sensitivities and techniques have improved dramatically. With these advances, we further constrain the chirp mass of the potential supermassive black hole binary in 3C66B to less than $(1.65\pm0.02) imes 10^9~{M_\odot}$ using data from the NANOGrav 11-year data set. This upper limit provides a factor of 1.6 improvement over previous limits, and a factor of 4.3 over the first search done. Nevertheless, the most recent orbital model for the source is still consistent with our limit from pulsar timing array data. In addition, we are able to quantify the improvement made by the inclusion of source properties gleaned from electromagnetic data to `blind' pulsar timing array searches. With these methods, it is apparent that it is not necessary to obtain exact a priori knowledge of the period of a binary to gain meaningful astrophysical inferences.

연구 동기 및 목표

• 펄서 타이밍 어레이(PTA) 데이터와 전자기(EM) 측정치를 융합하여 3C66B와 같은 이중성계의 중력파 탐지 감도를 향상시키는 것.
• EM에서 유도된 궤도 주파수 사전 확률이 표준 망각된 탐색을 초월해 PTA 탐색의 감도를 향상시킬 수 있는지 테스트하는 것.
• NANOGrav 11년 데이터 세트와 다중 메신저 사전 확률을 활용해 3C66B의 치르프 질량에 대한 더 엄격한 제약 조건을 설정하는 것.
• 베이지안 GW 탐색에서 EM 기반 주파수 사전 확률을 통합함으로써 감도 향상 정도를 정량화하는 것.
• I10에서 제안된 3C66B의 개선된 궤도 모델이 현재의 PTA 데이터로는 배제되지 않는지 평가하는 것.

제안 방법

• 자유 매개변수로 중력파 주파수와 치르프 질량를 포함한 베이지안 추론을 'enterprise' 소프트웨어 프레임워크를 사용해 수행하여 중력파 탐색을 실시하였다.
• X선 및 라디오 관측에서 유도된 전자기 제약 조건—특히 3C66B의 궤도 주기—를 중력파 주파수에 대한 정보성 사전 확률로 통합하였다.
• 타이밍 잔차와 EM 기반 궤도 매개변수의 공동 가능도를 모델링하기 위해 계층적 베이지안 접근법을 사용하였다.
• 감도 향상 정도를 검증하기 위해 'hasasia' 소프트웨어를 사용해 신호 대 잡음비(S/N) 시뮬레이션을 수행하였다.
• 실제 데이터 탐색을 전 PTA 대역에 걸쳐 수행하였으며, EM 사전 확률이 있는지 여부에 따라 결과를 비교하여 감도 향상 정도를 정량화하였다.
• 45개의 밀리초 펄서의 타이밍 해를 포함한 NANOGrav 11년 데이터 세트를 활용하여 잔차 타이밍 편차를 분석하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 EM에서 유도된 궤도 주파수 정보를 통합할 경우 PTA 기반 중력파 탐색의 감도가 얼마나 향상되는가?
• RQ2 다중 메신저 제약 조건과 PTA 데이터를 활용해 3C66B의 치르프 질량에 대해 도출할 수 있는 가장 날카로운 상한선은 무엇인가?
• RQ3 I10에서 제안된 3C66B의 개선된 궤도 모델은 현재의 PTA 데이터로 배제될 수 있는가?
• RQ4 EM 관측으로 주파수가 제약 조건이 주어질 경우 망각된 탐색 대비 전체 대역에서의 PTA 탐색 감도가 얼마나 향상되는가?
• RQ5 사전 선택이 PTA에서 밀집된 이중성계의 탐지 임계값에 미치는 영향은 무엇인가?

주요 결과

• 3C66B의 치르프 질량에 대한 95% 신뢰구간 상한선은 $(1.65\pm 0.02)\times 10^9~{}M_{\odot}$로 약 4.3배 작아졌으며, J04에서 보고된 한계보다 작다.
• 다중 메신저 접근법은 주파수 망각된 PTA 탐색 대비 감도를 약 10배 향상시켰다.
• 감도 향상은 충분히 넓은 주파수 범위에서 탐색할 경우에만 뚜렷하게 나타나며, 이는 약한 궤도 주기 제약 조건이 존재하더라도 방법이 여전히 효과적임을 시사한다.
• I10에서 제안된 3C66B의 개선된 궤도 모델은 현재의 PTA 데이터로는 배제되지 않으며, 타당성이 유지된다.
• 베이지안 탐색 프레임워크는 효과적으로 EM 사전 확률을 통합하여 매개변수 공간을 축소하고 탐지 능력을 향상시켰다.
• 분석 결과, 궤도 주파수에 대한 EM 제약 조건이 펄서 타이밍 어레이에서 중력파 탐지 감도 향상에 효과적으로 활용될 수 있음을 입증하였다.