[논문 리뷰] The NANOGrav 12.5-year Data Set: Bayesian Limits on Gravitational Waves from Individual Supermassive Black Hole Binaries

Zaven Arzoumanian, P. T. Baker외 76명|arXiv (Cornell University)|2023. 01. 09.

Cosmology and Gravitation Theories인용 수 10

한 줄 요약

본 논문은 NANOGrav 12.5-year 펄사 타이밍 배열 데이터를 사용하여 개별 초거대 질량 블랙홀 이중성에서 발생하는 중력파에 대한 베이지안 한계를 설정한다. 제공된 텍스트에는 명시적 탐지는 주장되지 않았다.

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.

연구 동기 및 목표

• NANOGrav 데이터를 사용하여 개별 초거대 질량 블랙홀 이중성에서의 중력파를 제한하려는 동기를 제시한다.
• SMBHB GW 신호를 검색하기 위해 펄사 타이밍 배열 잔차에 베이지안 추론 방법을 적용한다.
• 매개변수 공간에 걸친 개별 이중성에 대한 GW 스트레인의 상한을 정량화한다.
• PTA 데이터와 함께 GW 탐색의 흐름에 기여하는 결과를 제시한다.

제안 방법

• Bayesian 기법으로 NANOGrav 12.5-year 펄사 타이밍 데이터를 분석한다.
• 펄사 타이밍 잔차에서 개별 SMBHB의 중력파 신호를 모델링한다.
• 후방 분포와 GW 스트레인 진폭의 상한을 계산한다.
• 베이지안 한계를 이전 제약 및 이전 데이터 릴리스와 비교한다.

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.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 12.5년 PTA 데이터를 사용하여 개별 SMBHB의 GW 스트레인에 대해 어떤 상한을 제시할 수 있는가?
• RQ2 데이터가 특정 개별 초거대 질량 블랙홀 이중성으로부터의 중력파 증거를 보여주는가?
• RQ3 베이지안 한계가 초기 NANOGrav 데이터 릴리스 및 다른 PTA 분석의 한계와 어떻게 비교되는가?
• RQ4 데이터 세트로 가장 제약이 큰 SMBHB 매개변수 공간의 영역은 어디이며(예: 주파수, 하늘 위치)?

주요 결과

• 베이지안 분석은 12.5년 데이터 세트를 사용하여 개별 SMBHB의 GW 스트레인에 대한 상한을 산출한다.
• 제공된 텍스트에서는 개별 SMBHB로부터의 GW 신호에 대한 확정적 탐지가 보고되지 않았다.
• 확장된 데이터 기간으로 SMBHB GW 탐색 현황에 업데이트된 제약을 기여한다.
• 결과는 향후 PTA 분석 및 연속 GW 신호 탐지의 민감도 목표에 정보를 제공한다.