[论文解读] Multi-Messenger Gravitational Wave Searches with Pulsar Timing Arrays: Application to 3C66B Using the NANOGrav 11-year Data Set

Zaven Arzoumanian, P. T. Baker+57 more|arXiv (Cornell University)|May 14, 2020

Pulsars and Gravitational Waves Research参考文献 3被引用 4

一句话总结

本文提出了一种利用脉冲星时标阵列（PTA）进行多信使引力波搜索的方法，结合3C66B双星系统的电磁观测约束以提升灵敏度。通过在贝叶斯搜索中将X射线和射电波段的轨道周期数据作为先验信息，作者将3C66B的啁啾质量95%置信上限降低至$(1.65\pm 0.02)\times 10^9~{}M_{\odot}$，相比先前限制提高了4.3倍，并在频率受约束时展示了相较于盲搜约10倍的灵敏度增益。

ABSTRACT

When galaxies merge, the supermassive black holes in their centers may form binaries and, during the process of merger, emit low-frequency gravitational radiation in the process. In this paper we consider the galaxy 3C66B, which was used as the target of the first multi-messenger search for gravitational waves. Due to the observed periodicities present in the photometric and astrometric data of the source of the source, it has been theorized to contain a supermassive black hole binary. Its apparent 1.05-year orbital period would place the gravitational wave emission directly in the pulsar timing band. Since the first pulsar timing array study of 3C66B, revised models of the source have been published, and timing array sensitivities and techniques have improved dramatically. With these advances, we further constrain the chirp mass of the potential supermassive black hole binary in 3C66B to less than $(1.65\pm0.02) imes 10^9~{M_\odot}$ using data from the NANOGrav 11-year data set. This upper limit provides a factor of 1.6 improvement over previous limits, and a factor of 4.3 over the first search done. Nevertheless, the most recent orbital model for the source is still consistent with our limit from pulsar timing array data. In addition, we are able to quantify the improvement made by the inclusion of source properties gleaned from electromagnetic data to `blind' pulsar timing array searches. With these methods, it is apparent that it is not necessary to obtain exact a priori knowledge of the period of a binary to gain meaningful astrophysical inferences.

研究动机与目标

• 通过结合脉冲星时标阵列（PTA）数据与电磁（EM）测量结果，提升类似3C66B双星系统引力波探测的灵敏度。
• 检验基于电磁观测推导的轨道频率先验是否能够使PTA搜索的灵敏度超越标准盲搜方法。
• 利用NANOGrav 11年数据集和多信使先验，对3C66B的啁啾质量施加更严格的约束。
• 量化在贝叶斯引力波搜索中引入基于电磁的频率先验所带来的灵敏度增益。
• 评估I10中提出的3C66B修正轨道模型在当前PTA数据下是否仍具有可行性，即未被当前分析所排除。

提出的方法

• 在'software framework'enterprise中应用贝叶斯推断，对包含引力波频率和啁啾质量等自由参数的引力波搜索进行处理。
• 将来自X射线和射电观测的电磁约束——特别是3C66B的轨道周期——作为引力波频率的有信息先验。
• 采用分层贝叶斯方法，对时间残差与基于电磁观测的轨道参数联合似然进行建模。
• 利用'hasasia'软件进行信噪比（S/N）模拟，以验证灵敏度的提升效果。
• 在全PTA频段内对真实数据进行搜索，对比使用与不使用电磁先验的结果，以量化灵敏度增益。
• 采用NANOGrav 11年数据集，包括45颗毫秒脉冲星的时间解算结果，分析时间偏差残差。

实验结果

研究问题

• RQ1 在基于PTA的引力波搜索中，引入基于电磁观测的轨道频率信息能在多大程度上提升灵敏度？
• RQ2 利用多信使约束和PTA数据，可实现的3C66B啁啾质量上限最紧可达到何种程度？
• RQ3 I10中提出的3C66B修正轨道模型是否能被当前的PTA数据排除？
• RQ4 与在全频段进行盲搜相比，当频率受电磁观测约束时，PTA搜索的灵敏度能提升多少？
• RQ5 先验选择对PTA中致密双星系统探测阈值有何影响？

主要发现

• 3C66B的啁啾质量95%置信上限被约束在$(1.65\pm 0.02)\times 10^9~{}M_{\odot}$，相比J04中报告的限制缩小了4.3倍。
• 多信使方法使灵敏度相比频率盲搜提升了约一个数量级。
• 仅当在足够宽的频率范围内进行搜索时，灵敏度增益才显著，表明该方法即使在轨道周期约束较弱的情况下依然有效。
• I10中提出的3C66B修正轨道模型在当前PTA数据下仍具可行性，未被排除。
• 贝叶斯搜索框架成功整合了电磁先验，有效缩小了参数空间并提升了探测能力。
• 分析表明，可有效利用电磁观测对轨道频率的约束，以增强脉冲星时标阵列中的引力波探测灵敏度。