[论文解读] Asymptotic tails of massive gravitons in light of pulsar timing array observations

R. A. Konoplya, A. Zhidenko|arXiv (Cornell University)|Jul 3, 2023

Pulsars and Gravitational Waves Research参考文献 48被引用 17

一句话总结

本文论证，来自大质量引力理论或额外维度情景的质量引力子在渐近振荡尾部的振荡项，可能对具有极长波长的引力波产生贡献，这类波可被脉冲星计时阵列探测到，或能部分解释 NANOGrav 信号；约束将引力子质量限定在大约 2×10^-23 至 2×10^-24 eV/c^2；这一效应预计较小，主要由近在银河系内的黑洞辐射源头驱动。

ABSTRACT

We demonstrate that the late time oscillatory tails of massive gravitons, present in both massive theories of gravity and effectively in extra-dimensional scenarios, could potentially contribute to gravitational waves with very long wavelengths. However, their impact on recent pulsar timing array observations might be relatively small, predominantly consisting of radiation emitted by black holes in our region of the Milky Way.

研究动机与目标

• 激发这样一种可能性：具有极小质量的质量引力子能够产生可被脉冲星计时阵列观测到的长波长引力波。
• 提出来自黑洞环模衰减的质量场的晚期振荡尾部可以对引力波背景产生贡献。
• 强调这些尾部可能为 NANOGrav 信号提供超大质量黑洞并合之外的替代或额外来源。
• 将估计的引力子质量区间与现有的引力波约束及天体物理考量进行比较。

提出的方法

• 讨论在黑洞背景下质量场的普遍晚期衰减规律：|ψ ∝ t^(-5/6) sin(μ c^2 t/ħ)| 及其在标量、Proca、Dirac 和质量引力子情形中的适用性。
• 论证康普顿尺度 R ∼ ħ/(2μc) 可能意味着超重轻的引力子在宇宙学尺度上具有很长的作用距离（数量级为光年）。
• 将尾部信号与脉冲星计时残差联系起来，其中地球项和脉冲星项可被视为独立源。
• 利用来自 NANOGrav 和 LIGO 的观测上下文来界定可行的引力子质量区间，并与其他天体物理约束进行比较。

实验结果

研究问题

• RQ1 质量引力子的渐近振荡尾部是否能产生被脉冲星计时阵列观测到的可检测超长波长引力波背景？
• RQ2 哪些引力子质量区间与 NANOGrav 类信号以及现有的引力波约束相容？
• RQ3 在多大程度上，附近的银河系黑洞环模衰减通过质量尾部动力学对随机背景产生贡献？
• RQ4 在纯无质量广义相对论预测下，质量极化情景如何改变对脉冲星计时数据的解释？

主要发现

• 来自质量引力子的长波长引力尾部可能以光年数量级的波长对引力波背景产生贡献。
• 脉冲星计时阵列观测允许引力子质量在大致 2×10^-24 eV/c^2 ≤ μ ≤ 2×10^-23 eV/c^2（康普顿长度约为 1–10 ly）。
• 质量尾部信号的大小预计较小，主要来自附近银河系黑洞发射的辐射。
• 无质量的 LIGO/Virgo 探测为引力子质量提供上界，与建议范围的数量级大致相同，尽管数据与假设不同。
• 如果未来观察到更长波长的引力波，则可涉及 μ ≲ 2×10^-24 eV/c^2 的超轻量级质量引力子。