[논문 리뷰] The second data release from the European Pulsar Timing Array V. Search for continuous gravitational wave signals

John Antoniadis, P. Arumugam외 98명|arXiv (Cornell University)|2023. 06. 28.

Pulsars and Gravitational Waves Research참고 문헌 5인용 수 28

한 줄 요약

이 논문은 European Pulsar Timing Array DR2 데이터에서 연속 중력파 신호를 탐색한 연구를 보고하며, 발견된 가장 유의한 후보 이벤트를 강조한다.

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.

연구 동기 및 목표

• European Pulsar Timing Array의 DR2 데이터를 사용하여 연속 중력파 검색을 동기 부여하고 제약한다.
• DR2 데이터세트에서 CGWs의 감도와 탐지 통계를 특성화한다.
• 가장 유의한 후보 CGW 이벤트를 식별하고 보고하며 그 유의성을 평가한다.

제안 방법

• DR2 PTA 데이터에서 연속 중력파 신호를 탐색한다.
• 펄서 타이밍 잔차에서 CGW 신호 추출 기법을 적용한다.
• 후보 이벤트를 평가하고 노이즈에 대비한 유의성을 정량화한다.
• 강력한 검출이 없으면 CGW 스트레인에 대한 상한을 설정하기 위해 데이터에 근거를 살펴본다.

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

실험 결과

연구 질문

• RQ1 EPTA의 DR2 데이터세트에서 연속 중력파 신호를 탐지할 수 있는가?
• RQ2 DR2에서 가장 유의한 CGW 후보의 유의성은 어느 정도이며, 노이즈 기대치와 어떻게 비교되는가?
• RQ3 DR2에서 도출할 수 있는 CGW 스트레인의 상한은 무엇인가?
• RQ4 DR2 CGW 탐색 결과가 CGW 모집단 모델을 어떻게 제약하는가?
• RQ5 CGW 신호를 흉내 낼 수 있는 DR2의 체계적 효과가 있는가?

주요 결과

• EPTA 데이터세트를 사용하여 DR2에서 CGW를 검색했다.
• DR2 검색에서 가장 유의한 CGW 후보 이벤트가 식별된다.
• 본 논문은 이 후보의 유의성을 정량화하고 해석을 논의한다.
• 발췌문에는 확정 탐지에 대한 주장이 제공되지 않으며, 후보는 노이즈 기대값과 비교하여 평가된다.
• 본 연구는 DR2 및 향후 데이터 릴리스에 적용 가능한 CGW 감도와 방법에 대한 맥락을 제공한다.

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