[논문 리뷰] Search for scalar induced gravitational waves in the International Pulsar Timing Array Data Release 2 and NANOgrav 12.5 years datasets

Virgile Dandoy, Valerie Domcke외 1명|arXiv (Cornell University)|2023. 02. 15.

Cosmology and Gravitation Theories참고 문헌 104인용 수 9

한 줄 요약

저자들은 IPTA DR2 및 NG12 데이터에서 스칼라 유도 GW를 베이지안 검색한 결과, IPTA DR2는 천체 배경을 선호하는 반면 NG12는 스칼라 유도 및 SMBHB 배경 모두에 맞는 것으로 나타났으며, 작은 스케일에서의 곡률 파워 스펙트럼에 대한 상한을 도출했다.

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.

연구 동기 및 목표

• 작은 스케일(k ~ 10^5–10^8 Mpc^-1)에서 곡률 포텐셜로부터 유도된 확률적 GW 배경을 PTA 데이터셋을 사용해 연구하고 동기를 부여한다.
• 천체 SMBHB 배경과 PBH 기반 제약을 포함해 곡률 유도 GW 신호의 타당성을 평가한다.
• 로그정규 곡률 파워 스펙트럼을 사용해 폭넓은 피크와 좁은 피크를 연구하고 PBH 기반의 P_zeta 상한을 도출한다.
• 특히 PBH 과생산 및 QCD 시대 역학과 같은 우주론적 제약이 스칼라 유도 GW 해석에 어떤 영향을 미치는지 정량화한다

제안 방법

• 스칼라 유도 GW 스펙트럼 모델 Omega_gw h^2 ~ 1.9×10^-9 (A_zeta/0.01)^2 ... S(f/f_*) (App. A) 및 피크가 k_*이고 폭이 Delta인 로그-정규 P_zeta(k)를 채택한다.
• GW 신호를 A_zeta, k_*, Delta로 매개화하고 Amplitude가 A_SMBHBs인 SMBHB 배경을 포함한다.
• A_zeta를 한계짓기 위해 PBH 과생산 제약을 적용하고 Delta=1(광대) 및 Delta=0.05(좁은) 케이스를 탐색한다.
• Overl ap Reduction Function 및 자기상관 항과 함께 IPTA DR2 및 NG12 타이밍 잔차 교-전력 스펙트럼을 사용한다.
• g_* 및 g_*s(T_*) 의 의존성을 고려하고 NG12 및 IPTA DR2 분석(App. C)과 일치하는 사전분포 및 nuisance 잡음 모델링을 적용한다.
• Delta ≤ 0.5일 때 IR 꼬리의 스칼라 유도 GW 스펙트럼을 개선된 해석 근사(App. A)로 근사한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 작은 스케일의 곡률 포피펜셜로부터의 스칼라 유도 GW 배경이 IPTA DR2 및 NG12의 PTA 공용 스펙럼 신호를 설명할 수 있는가?
• RQ2 PBH 과생산 제약이 PTA 스케일에서 허용되는 곡률 파워 스펙트럼 진폭 A_zeta를 얼마나 제한하는가?
• RQ3 두 데이터셋에서 스칼라 유도 GW와 SMBHB 배경 중 어느 쪽의 가능도가 더 높은가(두 경우 모두 포함될 때)?
• RQ4 SMBHB 배경이 있을 때 곡률 파워 스펙트럼 진폭 A_zeta에 대한 상한은 무엇인가?
• RQ5 피크 폭 Delta 및 피크 위치 k_*가 PTA 데이터의 해석 및 제약에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• IPTA DR2 데이터는 공통 스펙럼 프로세스에 대해 곡률 유도 GW 배경보다 천체 SMBHB 배경을 선호한다.
• NG12 데이터는 스칼라 유도와 SMBHB 배경에 대해 비슷한 적합도를 보이며 두 가지 해석이 모두 가능하다.
• PBH 과생산 제약은 Delta에 따라 다르고 강하게 A_zeta의 상한을 부과하며 특정 가정하에서 Delta=1 또는 0.05일 때 A_zeta ≲ ~0.01–0.04 범위로 제한된다.
• 최대 우도 스칼라 유도 GW 스펙트럼은 k_* ~ 몇×10^6 Mpc^-1 및 Delta ~ O(1)로 얻어지지만 PBH 경계가 허용 영역을 제한한다.
• SMBHB 배경을 포함하는 경우 곡률 파워 스펙트럼 진폭 A_zeta에 대한 95% CL 상한이 PBH 기반 간접 제약과 독립적으로 도출된다.
• 향후 PTA 데이터 릴리스가 QCD 시대 근처의 곡률 파워 스펙트럼에 대한 가장 강력한 탐침이 될 것임을 시사한다.