[论文解读] Gravitational wave sources for Pulsar Timing Arrays

Ligong Bian, Shuailiang Ge+4 more|arXiv (Cornell University)|Jun 30, 2023

Pulsars and Gravitational Waves Research被引用 13

一句话总结

本论文对 PTA 数据中的 SGWB 来源进行贝叶斯模型比较（SMBHBs、FOPT、域字符串、域墙、标量诱导 GW），使用 NANOGrav、PPTA、EPTA 数据集，在当前数据下未对任一单一模型显示强偏好。

ABSTRACT

Very recently, several pulsar timing array collaborations, including CPTA, EPTA, and NANOGrav, reported their results from searches for an isotropic stochastic gravitational wave background (SGWB), with each finding positive evidence for SGWB. In this work, we assessed the credibility of interpreting the Hellings-Downs correlated free-spectrum process of EPTA, PPTA, and NANOGrav as either the result of supermassive black hole binary mergers or various stochastic SGWB sources that originated in the early Universe, including first-order phase transitions, cosmic strings, domain walls, and large-amplitude curvature perturbations. Our observations show that the current new datasets do not display a strong preference for any specific SGWB source based on Bayesian analysis.

研究动机与目标

• 评估各种 SGWB 来源作为 PTA 数据中 Hellings-Downs 相关信号解释的可信度。
• 使用贝叶斯模型选择在最近的 PTA 数据集中比较 SMBHBs 与宇宙学 SGWB 模型。
• 约束 SMBHBs、一级相变、宇宙字符串、域墙以及曲率扰动的参数空间。
• 提供对相关超标准模型物理的含义并指导未来的 PTA 分析。

提出的方法

• 建模五种 SGWB 来源：SMBHBs、一级相变（FOPT）、宇宙字符串、域墙，以及标量诱导 GWs。
• 使用 PPTA、EPTA 和 NANOGrav 的 Hellings-Downs 自由谱数据进行贝叶斯拟合，聚焦前五个低频区间。
• 估计模型之间的后验分布和贝叶斯因子；通过贝叶斯因子将其解释为模型证据。
• 给出对模型参数的约束，如 SMBHBs 的 A、FOPT 的 α_PT、β/H*、T*、v_b、宇宙字符串的 Gμ 与 α_CS、域墙的 σ 与 ΔV、曲率扰动的 PR0 与 m。

Figure 1: Constraints on the SMBHB parameter $\log_{10}A$ from the Bayesian model fitting.

实验结果

研究问题

• RQ1 联合 PTA 数据是否对 SMBHBs 或任何宇宙学 SGWB 来源相比其他来源显示强偏好？
• RQ2 给定数据，SMBHBs、FOPT、宇宙字符串、域墙和曲率扰动等关键参数的可信范围是多少？
• RQ3 不同比较对象在 PPTA、EPTA 与 NANOGrav 数据集之间的贝叶斯因子比较如何？
• RQ4 当前的 PTA 观测能否区分产生 HD 相关的 SGWB 模型？

主要发现

• 目前的数据集基于贝叶斯分析未显示对任何特定 SGWB 来源有强偏好。
• NANOGrav 与 PPTA 对 FOPT 的倾向高于其他来源，而 EPTA 偏向宇宙字符串。
• 所有宇宙学 SGWB 模型都能重现 HD 信号，在给定数据下没有任何模型对 SMBHBs 有独特的偏好。
• 约束表明大约 1 MeV 规模的中等强度缓慢相变是可能的，但受大爆炸核合成/宇宙微波背景的限制。
• 宇宙字符串意味着 U(1) 对称破缺刻度 η 约为 10^{13-14} GeV；域墙将对称破缺刻度限制在约 10^4 TeV 以下；曲率扰动产生的黑洞受到了严格约束。

Figure 2: The constraints on parameters of FOPT from Bayesian model fitting. Contours contain 68% and 95% of the probability.