利用公开的NANOGrav 15年数据集，通过基于模板的搜索方法研究纳赫兹引力波背景中的大尺度结构相关各向异性

《Science China-Physics Mechanics & Astronomy》：A template-based search for large-scale-structure-correlated anisotropy in the nanohertz gravitational-wave background using the public NANOGrav 15-year data set

　　

摘要

近期的一些PTA分析发现了纳米赫兹频段存在共同谱线的证据，这促使人们开始有针对性地检测随机引力波背景中的各向异性成分是否与附近的大尺度结构存在关联，而这种关联正是由超大质量黑洞双星主导的天体物理背景所预期的。我们提出了首个将外部观测到的全天空星系巡天所得的大尺度结构模板直接作为重叠减少函数组件纳入其中的贝叶斯PTA概率分析方法。利用2MASS光度红移星系目录，我们在两个红移区间（0 < z ? 0.1和0.1 < z ? 0.2）构建了低多极矩的大尺度结构相关重叠减少函数模板，并将PTA交叉相关性建模为\(\Gamma_{ab}=\Gamma_{ab}^{\text{HD}}+\Sigma_{i}\epsilon_{i}\Gamma_{ab}^{\text{LSS}(i)}\)，其中?_i表示那些角相关性投影到固定2MPZ大尺度结构模板上的SGWB成分的振幅。将该框架应用于NANOGrav 15年的数据集后，我们并未发现任何与大尺度结构相关的成分存在的证据：在单双星分析中，推断出的?_i值都与零一致（例如\(\epsilon_{1}=0.20_{-1.66}^{+1.68}\)和\(\epsilon_{2}=-0.11_{-1.83}^{+2.04}\)；对应的68%置信区间），而且贝叶斯因子也支持各向同性的Hellings-Downs假设\({\cal{B}}_{\text{HD+LSS}_{1},\text{HD}}=0.40,\ {\cal{B}}_{\text{HD+LSS}_{2},\text{HD}}=0.43,\ {\cal{B}}_{\text{HD+LSS}_{1+2},\text{HD}}=0.11 \)）。因此，我们对z < 0.2范围内所有由2MPZ数据追踪到的、与大尺度结构相关的SGWB成分都给出了上限值。更广泛地说，我们的框架为将已观测到的大尺度结构信息纳入PTA各向异性研究中提供了一种可重复的方法，同时也为进一步开展更高精度的红移层析研究以及利用新一代PTA数据集进行相关研究提供了可能。