[论文解读] First-order Phase Transition interpretation of PTA signal produces solar-mass Black Holes

Yann Gouttenoire|arXiv (Cornell University)|Jul 9, 2023

Pulsars and Gravitational Waves Research参考文献 139被引用 9

一句话总结

论文对NG15和IPTA2 PTA数据进行了贝叶斯分析，表明随机GW背景可归因于早期宇宙中的强第一阶相变（1st-order phase transition），并对普遍质量范围内的原初黑洞和多信使探测的可行性具有影响。

ABSTRACT

We perform a Bayesian analysis of NANOGrav 15yr and IPTA DR2 pulsar timing residuals and show that the recently detected stochastic gravitational-wave background (SGWB) is compatible with a SGWB produced by bubble dynamics during a cosmological first-order phase transition. The timing data suggests that the phase transition would occur around QCD confinement temperature and would have a slow rate of completion. This scenario can naturally lead to the abundant production of primordial black holes (PBHs) with solar masses. These PBHs can potentially be detected by current and advanced gravitational wave detectors LIGO-Virgo-Kagra, Einstein Telescope, Cosmic Explorer, by astrometry with GAIA and by 21-cm survey.

研究动机与目标

• 激发探索 PTA SGWB 的非天体起源，超越超大质量黑洞并合并体（SMBH binaries）之想法。
• 检验强第一阶相变（1stOPT）是否能够拟合 NG15 与 IPTA2 PTA 残差。
• 在 1stOPT 的贝叶斯分析中，将 PBH 产生与大爆炸核合成（BBN）约束作为先验条件纳入。
• 通过贝叶斯模型比较，量化 1stOPT 情景与 SMBH 二进制之间的竞争程度。
• 预测 PBH 与未来 GW/天文学探测的观测后果。

提出的方法

• 使用 bulk flow GW 光谱（方程 Eq. 6）并且 α>>1，模型化强过冷的 1stOPT 产生的 SGWB。
• 使用 enterprise/enterprise_extensions 和 PTMCMC/PTArcade 对 NG15 与 IPTA2 的定时残差进行贝叶斯推断。
• 将 BBN 边界与 PBH 过度产生的先验作为对 1stOPT 参数（T_reh、beta/H、alpha）的约束。
• 通过产品空间采样后的贝叶斯因子（BF）比较模型（仅 1stOPT、SMBH 二进制，或两者）
• 同时考察检测分析与对于完成率 beta/H 的排除性（下限）分析。

Figure 1: The violin diagrams depict the posterior probability distribution of the SGWB energy density in each frequency bins of NG15 and IPTA2 data sets. We overlay with solid lines the SWGB from 1stOPT, obtained using Eq. ( 6 ), using mean posterior value for the PT parameters. The dotted lines il

实验结果

研究问题

• RQ1 一个超冷却的第一阶相变是否能够解释 NG15 与 IPTA2 观测到的 PTA SGWB？
• RQ2 在 BBN 与 PBH 先验下， PTA 数据所对应的 1stOPT 参数（T_reh、beta/H、alpha）为何？
• RQ3 加入 PBH 过度产生约束是否改变 1stOPT 与 SMBH 二进制解释之间的偏好？
• RQ4 太阳质量的 PBH 是否为 1stOPT 情景的可行副产物，并且能否被其他探测器（GW 探测器、GAIA、21-cm）所探测？
• RQ5 若 PTA SGWB 不是来自强的 1stOPT，保守地对完成率 beta/H 给出的界限是多少？

主要发现

• NG15 数据偏好来自强 1stOPT 的 GW 信号，而非 SMBH 二进制，贝叶斯因子为 24（仅 BBN 先验）。
• 加入 PBH 过度产生先验后，NG15 的 1stOPT 相对 SMBH 的贝叶斯因子降为 15，IPTA2 仍未定论。
• 在 NG15（BBN）下的平均后验 1stOPT 参数：log10(T_reh) = -0.80^{+0.23}_{-0.23}, beta/H = 9.8^{+4.0}_{-2.5}；加入 PBH 先验后：log10(T_reh) = -0.86^{+0.37}_{-0.26}, beta/H = 10.7^{+2.8}_{-3.3}。
• IPTA2 结果（BBN）：log10(T_reh) = -1.34^{+0.3}_{-0.3}, beta/H = 13.8^{+6.6}_{-4.2}。
• 1stOPT 情景可以在 NG15 的后验区域产生太阳质量 PBHs，提供多信使窗口（LIGO-Virgo-Kagra、ET/CE、GAIA 镜像、21-cm 加热）。
• 排除界限暗示若 PTA 信号并非来自强的 1stOPT，则 beta/H ≳ 10–20，将 PBH 可检测情景限制在 1 太阳质量至 10^3 太阳质量之间。

Figure 2: Left : Colored regions are posterior distributions in term of the reheating temperature $T_{\rm reh}$ and rate of completion $\beta/H$ of a strong 1stOPT ( $\alpha\gg 1$ ). They are obtained after performing a Bayesian analysis of PTA dataset. We overlay the CMB, LIGO/Virgo and microlensin