[论文解读] Cosmological Background Interpretation of Pulsar Timing Array Data

Daniel G. Figueroa, Mauro Pieroni+2 more|arXiv (Cornell University)|Jul 5, 2023

Cosmology and Gravitation Theories参考文献 200被引用 11

一句话总结

本文分析 NG15 和 EPTA-DR2new PTA 数据，以比较宇宙学引力波背景模型与 SMBHBs，发现标量诱导及相关信号在拟合方面通常更好，同时对原初非高斯性给出强有力约束。

ABSTRACT

We discuss the interpretation of the detected signal by Pulsar Timing Array (PTA) observations as a gravitational wave background (GWB) of cosmological origin. We combine NANOGrav 15-years and EPTA-DR2new data sets and confront them against backgrounds from supermassive black hole binaries (SMBHBs), and cosmological signals from inflation, cosmic (super)strings, first-order phase transitions, Gaussian and non-Gaussian large scalar fluctuations, and audible axions. We find that scalar-induced, and to a lesser extent audible axion and cosmic superstring signals, provide a better fit than SMBHBs. These results depend, however, on modeling assumptions, so further data and analysis are needed to reach robust conclusions. Independently of the signal origin, the data strongly constrain the parameter space of cosmological signals, for example, setting an upper bound on primordial non-Gaussianity at PTA scales as $|f_{nl}| \lesssim 2.34$ at 95% CL.

研究动机与目标

• 评估 PTA 监测到的随机背景是否偏向宇宙学起源还是天体物理（SMBHB）起源。
• 探索广泛的宇宙学 GW 背景源（暴涨、弦、相变、标量涨落、可听轴子等）。
• 推导模型参数的约束，并进行模型选择以识别偏好情景。
• 量化 PTA 数据对原初非高斯性及其他早期宇宙参数的界限。

提出的方法

• 在贝叶斯框架下结合 NG15 和 EPTA-DR2new 数据集来拟合多种 GWB 模板。
• 用幂律和断幂律形式参数化光谱，并为相变、弦和可听轴子提供特定形状。
• 在似然中对频率点使用独立区间近似，并以自由光谱链获取后验。
• 计算贝叶斯因子和赤池信息量准则以将模型与 SMBHB 基线进行比较。
• 在相关情形下施加观测先验和外部约束（PBH、N_eff、引力透镜等）以引导参数推断。

实验结果

研究问题

• RQ1 哪类 GWB 源在相对于 SMBHB 的组合 PTA 数据中提供了最佳拟合？
• RQ2 来自 PTA 观测的关键宇宙学参数（如 fNL、Gμ（弦）、轴子参数）后的后验约束是多少？
• RQ3 是否有确凿迹象偏向标量诱导的 GWB 或相关宇宙学信号，而非天体物理背景？
• RQ4 模型比较在 PTA 频率下如何约束暴涨、弦、相变和 atto-axion 场景？

主要发现

模型	BF_NANO	BF_EPTA	BF_comb	Delta_AIC_comb
PL(n_t=0)	0.02	0.62	0.0014	10.24
PL(n_t=2/3)	2.6	3.1	1.9	-5.20
PL(n_t,A*)	16	4.1	180	-12.25
field th. CS	0.18	1.3	0.019	5.22
super CS	29	3.3	58	-11.11
gSIGWB	120	15	1300	-13.54
ngSIGWB	66	8.7	780	-6.82
AA	36	2.7	130	-12.36
BPL	17	1.6	120	-0.19
PhTNR	8.5	8.1	150	-12.85
PhTRV	37	13	110	-12.34
MHD	26	3.9	210	-8.77

• 在某些建模假设下，高斯和非高斯标量诱导的 GWB，以及在较小程度上的可听轴子和宇宙超弦信号，更好地拟合 PTA 数据，相较于 SMBHBs。
• PTA 数据将原初非高斯性约束为 |fNL| ≲ 2.34，95% 置信水平，在 PTA 规模上是严格的界限。
• 高斯峰值 SIGWB (gSIGWB-bump) 对 NANOGrav 和 EPTA 提供最强的贝叶斯因子，BF_NANO = 120，BF_EPTA = 15，合并数据的 BF_comb 约为 1300。
• 具有局部非高斯性的 SIGWB (ngSIGWB-bump) 同样拟合良好，BF_comb 约 780，且得到 |fNL| ≲ 2.34 在 95% CL。
• 在某些情形下宇宙弦改善拟合；场论弦不被看好，而超弦能够拟合数据但意味着较低的能量尺度，且取决于互连概率（p）。
• 可听轴子对质量下界为 m_a ≳ 8.0×10^-11 meV，能量尺度下界为 f_a ≳ 1.3×10^18 GeV，与残留约束之间存在一定张力。
• 综合数据偏向 gSIGWB 和 ngSIGWB 为强表现者，尽管叠合的脉冲星限制了对信号来源的决定性结论。
• 分析对 PBH 丰度及其他早期宇宙参数提供了有价值的约束，凸显 PTA 数据在探测高能宇宙学中的潜力。