[論文レビュー] Multi-Messenger Gravitational Wave Searches with Pulsar Timing Arrays: Application to 3C66B Using the NANOGrav 11-year Data Set

Zaven Arzoumanian, P. T. Baker+57 more|arXiv (Cornell University)|May 14, 2020

Pulsars and Gravitational Waves Research参考文献 3被引用数 4

ひとこと要約

本稿では、パルサー計時配列（PTA）を用いた多メッセンジャー重力波探索を提示し、3C66Bの連星系からの電磁気的制約を応用することで感度を向上させている。X線および電波の軌道周期データをベイズ的探索における事前分布として組み込むことで、3C66Bのチルプ質量の95%信頼区間上限を $(1.65\pm 0.02)\times 10^9~{}M_{\odot}$ にまで低下させ、以前の限界比で4.3倍の改善が達成された。周波数が制約された場合、盲目的探索に比べて約10倍の感度向上が示された。

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.

研究の動機と目的

• パルサー計時配列（PTA）データと電磁気（EM）測定値を統合することで、3C66Bのような連星系の重力波検出感度を向上させること。
• EM由来の軌道周波数事前分布が、標準的な盲目的探索を上回るPTA探索の感度を向上させることを検証すること。
• NANOGrav 11年間データセットと多メッセンジャー事前分布を用いて、3C66Bのチルプ質量に tighter な制約を課すこと。
• ベイズ的GW探索におけるEMベースの周波数事前分布の組み込みが、感度に与える向上を定量すること。
• I10で提案された3C66Bの再考された軌道モデルが、現在のPTAデータによって除外されないかを評価すること。

提案手法

• 重力波周波数とチルプ質量を自由パラメータとして含む、ソフトウェアフレームワーク 'enterprise' を用いてベイズ推論を実施し、重力波探索を実行した。
• X線および電波観測から得られた3C66Bの軌道周期という電磁的制約を、重力波周波数の情報的事前分布として統合した。
• タイミング残差とEM由来の軌道パラメータの同時尤度をモデル化するため、階層ベイズ的手法を用いた。
• 感度向上の妥当性を検証するために、'hasasia' ソフトウェアを用いて信号対雑音比（S/N）のシミュレーションを実施した。
• 全PTA帯域をカバーする実データ探索を実施し、EM事前分布を用いるか否かで結果を比較することで、感度向上を定量した。
• 45個のミリ秒パルサーのタイミング解を含むNANOGrav 11年間データセットを用い、残差タイミングずれを分析した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 EM由来の軌道周波数情報の組み込みが、PTAベースの重力波探索における感度にどの程度向上効果をもたらすか？
• RQ2 多メッセンジャー制約とPTAデータを用いて、3C66Bのチルプ質量に達成可能な最も厳しい上限は何か？
• RQ3 I10で提案された3C66Bの再考された軌道モデルは、現在のPTAデータによって除外されないか？
• RQ4 周波数がEM観測によって制約された場合、全帯域をカバーする盲目的探索に比べてPTA探索の感度はどの程度向上するか？
• RQ5 事前分布の選択が、PTAにおけるコンパクト連星系の検出閾値に与える影響は何か？

主な発見

• 3C66Bのチルプ質量の95%信頼区間上限は $(1.65\pm 0.02)\times 10^9~{}M_{\odot}$ にまで制限され、J04で報告された限界比で4.3倍小さい。
• 多メッセンジャー手法により、周波数盲目的PTA探索に比べて感度が約1桁向上した。
• 感度向上は、周波数範囲が十分に広い場合に顕著であり、弱い軌道周期制約でも本手法が有効であることが示された。
• I10で提案された3C66Bの再考された軌道モデルは、現在のPTAデータによって除外されず、妥当性を保っている。
• ベイズ的探索フレームワークは、EM事前分布を効果的に統合し、パrameter空間を縮小し、検出能力を向上させた。
• 本分析は、EM制約による軌道周波数の制約が、パルサー計時配列における重力波検出感度を効果的に向上させられることを示した。