[论文解读] The NANOGrav Program for Gravitational Waves and Fundamental Physics

Adam Brazier, Shami Chatterjee+12 more|arXiv (Cornell University)|Aug 14, 2019

Pulsars and Gravitational Waves Research参考文献 65被引用 42

一句话总结

NANOGrav 使用银河系毫秒脉冲星的精密定时来搜索纳赫兹引力波，目标是探测随机背景、分辨单个超大质量双黑洞，以及探测基础物理。

ABSTRACT

We describe the North American Nanohertz Observatory for Gravitational Waves (NANOGrav) and its efforts to directly detect and study gravitational waves and other synergistic physics and astrophysics using radio timing observations of millisecond pulsars.

研究动机与目标

• 探测纳赫兹引力波（GWs）的随机背景。
• 表征引力波背景以推断SMBHB人群的人口统计学特征。
• 探测单个SMBHB并实现多信使跟进。
• 限制基础物理，包括中子星方程状态、宇宙弦、原初GWs，以及GR之外的理论。

提出的方法

• 用白噪声和红噪声以及引力波信号建模脉冲星定时剩余，以捕捉阵列中相关的定时偏差。
• 使用Hellings-Downs关联来识别脉冲星对之间的四极引力波信号。
• 结合贝叶斯和频率学检测方法来搜索随机和确定性引力波信号。
• 纳入地项和脉冲星项的引力波效应；通过精确的脉冲星距离来改进以实现完整的GW参数估计。
• 开发并使用复杂的噪声模型，考虑脉冲星固有和传播引起的效应。

实验结果

研究问题

• RQ1 在不久的将来，NANOGrav 是否能够实现对纳赫兹引力波随机背景的稳健检测？
• RQ2 随机背景的谱特性和转折点是什么，它们对SMBHB环境和星系核心意味着什么？
• RQ3 能否检测并定位单个SMBHB，以及即将到来的调查将如何进行多信使跟进？
• RQ4 时延阵列观测对基础物理（如宇宙弦、原初GWs，以及超越GR的引力理论）能给出何种约束？
• RQ5 在脉冲星样本、观测节律、带宽和噪声建模方面的改进如何提升引力波灵敏度？

主要发现

• 在假设 fiducial 条件下，预计在未来3–7年内对纳赫兹引力波背景实现稳健检测。
• 表征引力波背景将揭示关于SMBHB人群、星系增长以及环境耦合的见解。
• 预计到2030年可检测到准单色引力波源的单个SMBHB，具备多信使跟进的前景。
• 定时阵列对早期宇宙引力波源具有敏感性，并通过超越常规的极化态（除标准的+和×外的态）来测试引力。
• 高级噪声建模和阵列扩展（更多 MSP、覆盖更广的天空）对于改善引力波检测前景和实现精确参数估计至关重要。