[论文解读] Constraining Cosmological Phase Transitions with Chinese Pulsar Timing Array Data Release 1

Deng Wang|arXiv (Cornell University)|Jul 29, 2023

Pulsars and Gravitational Waves Research被引用 4

一句话总结

该论文利用中国甚长基线干涉测量射电望远镜阵列数据发布1号（CPTA-DR1）对一阶宇宙相变进行约束，发现其对这类相变产生的引力波背景的敏感度略高于NANOGrav的12.5年数据，但弱于其15年数据。该分析在95%置信水平下对相变温度设定了2σ约束：log₁₀T⋆ = −1.12⁺².⁵⁹₋₁.⁷⁵，排除了低于1.3 MeV的相变，并允许[1.3 MeV, 29.5 GeV]的范围。

ABSTRACT

The Chinese Pulsar Timing Array (CPTA) collaboration has recently reported the observational evidence of a stochastic gravitational wave background. In light of the latest CPTA observation, we aim at exploring the ability of CPTA in probing new physics. Specifically, we constrain the first-order cosmological phase transitions with CPTA data, and find that the constraining result is slightly tighter than that of NANOGrav's 12.5-yr data but weaker than NANOGrav's 15-yr data. Considering the possible complexity of gravitational wave sources, we give the constraint on a mixed scenario of cosmological phase transitions and astrophysical supermassive binary black holes. Our analysis suggests that CPTA has a great potential to probe fundamental physics in the near future.

研究动机与目标

• 评估CPTA-DR1数据通过引力波背景探测对一阶宇宙相变的约束能力。
• 比较CPTA-DR1与现有NANOGrav数据集（12.5年和15年）在探测相变参数方面的敏感度。
• 研究混合天体物理（超大质量双黑洞）与宇宙引力波源对参数退化及约束的影响。
• 评估来自宇宙微波背景（CMB）、原初核合成（BBN）和天体测量（ΩGW < 10⁻⁶）的外部约束在压缩相变参数空间方面的有效性。
• 确定CPTA利用低频引力波信号探测早期宇宙新物理的潜力。

提出的方法

• 利用2019年4月至2022年9月期间，FAST望远镜对57颗毫秒脉冲星的CPTA-DR1数据，覆盖频率约14 nHz。
• 采用贝叶斯推断方法，使用四参数模型对一阶相变的随机引力波背景（SGWB）进行建模：相变温度T⋆、强度α⋆、气泡壁速度vw，以及反向持续时间H⋆/β。
• 应用Hellings-Downs相关模式以识别来自宇宙源的SGWB，从而与天体物理噪声区分开来。
• 将结果与NANOGrav的12.5年和15年分析进行比较，以评估CPTA-DR1的敏感度和约束能力。
• 将分析扩展至包含宇宙相变与超大质量双黑洞（SMBBH）并合的混合PTBBH模型，引入九个自由参数。
• 引入来自CMB、大爆炸核合成（BBN）和天体测量（ΩGW < 10⁻⁶）的外部约束，以检验其对参数空间压缩的影响。

实验结果

研究问题

• RQ1 CPTA-DR1对宇宙相变的约束能力与NANOGrav的12.5年和15年数据相比如何？
• RQ2 CPTA-DR1对相变温度T⋆、强度α⋆和持续时间H⋆/β的2σ约束是什么？
• RQ3 相变参数与SMBBH参数之间的参数退化如何影响CPTA-DR1的敏感度？
• RQ4 来自CMB、BBN和天体测量的外部约束在多大程度上改善了对宇宙相变参数的限制？
• RQ5 在混合宇宙-天体物理引力波情景下，超大质量双黑洞的并合率密度是多少？

主要发现

• CPTA-DR1在95%置信水平下对相变温度的约束为log₁₀T⋆ = −1.12⁺².⁵⁹₋₁.⁷⁵，排除了低于1.3 MeV的相变。
• 在95%置信水平下，允许的相变温度范围为[1.3 MeV, 29.5 GeV]，略优于NANOGrav的12.5年结果，但弱于其15年结果。
• CPTA-DR1在95%置信水平下设定了H⋆/β > 0.014和α⋆ > 0.21的下限，摩擦系数η的上限为< 8.12。
• 引入CMB、BBN和天体测量（ΩGW < 10⁻⁶）的综合外部约束对压缩相变参数空间的改善可忽略不计。
• 在混合PTBBH模型中，BBH并合率密度在90%置信水平下被约束为log₁₀(ṅ₀/Mpc⁻³Gpc⁻¹) = −5.28⁺⁴.⁴¹₋⁸.⁹⁹，表明对天体物理参数的约束较弱。
• 参数退化依然显著，尤其在α⋆与η之间；与纯PTO模型相比，SMBBH源的引入显著扩大了允许的相变参数空间。