Papers
Topics
Authors
Recent
Gemini 2.5 Flash
Gemini 2.5 Flash
157 tokens/sec
GPT-4o
8 tokens/sec
Gemini 2.5 Pro Pro
46 tokens/sec
o3 Pro
4 tokens/sec
GPT-4.1 Pro
38 tokens/sec
DeepSeek R1 via Azure Pro
28 tokens/sec
2000 character limit reached

What is the source of the PTA GW signal? (2308.08546v2)

Published 16 Aug 2023 in astro-ph.CO and hep-th

Abstract: The most conservative interpretation of the nHz stochastic gravitational wave background (SGWB) discovered by NANOGrav and other Pulsar Timing Array (PTA) Collaborations is astrophysical, namely that it originates from supermassive black hole (SMBH) binaries. However, alternative cosmological models have been proposed, including cosmic strings, phase transitions, domain walls, primordial fluctuations and "audible" axions. We perform a multi-model analysis (MMA) to compare how well these different hypotheses fit the NANOGrav data, both in isolation and in combination with SMBH binaries, and address the questions: Which interpretations fit the data best, and which are disfavoured? We also discuss experimental signatures that can help discriminate between different sources of the PTA GW signal, including fluctuations in the signal strength between frequency bins, individual sources and how the PTA signal extends to higher frequencies.

Definition Search Book Streamline Icon: https://streamlinehq.com
References (128)
  1. G. Agazie et al. (NANOGrav Collaboration), Astrophys. J. Lett. 951, L8 (2023a), arXiv:2306.16213 [astro-ph.HE] .
  2. G. Agazie et al. (NANOGrav), Astrophys. J. Lett. 951, L9 (2023b), arXiv:2306.16217 [astro-ph.HE] .
  3. J. Antoniadis et al. (EPTA),   (2023a), arXiv:2306.16214 [astro-ph.HE] .
  4. J. Antoniadis et al. (EPTA),   (2023b), 10.1051/0004-6361/202346841, arXiv:2306.16224 [astro-ph.HE] .
  5. J. Antoniadis et al. (EPTA),   (2023c), arXiv:2306.16227 [astro-ph.CO] .
  6. D. J. Reardon et al., Astrophys. J. Lett. 951, L6 (2023a), arXiv:2306.16215 [astro-ph.HE] .
  7. A. Zic et al.,   (2023), arXiv:2306.16230 [astro-ph.HE] .
  8. D. J. Reardon et al., Astrophys. J. Lett. 951, L7 (2023b), arXiv:2306.16229 [astro-ph.HE] .
  9. H. Xu et al., Res. Astron. Astrophys. 23, 075024 (2023), arXiv:2306.16216 [astro-ph.HE] .
  10. B. P. Abbott et al. (LIGO Scientific, Virgo), Phys. Rev. X 9, 031040 (2019a), arXiv:1811.12907 [astro-ph.HE] .
  11. R. Abbott et al. (LIGO Scientific, Virgo), Phys. Rev. X 11, 021053 (2021a), arXiv:2010.14527 [gr-qc] .
  12. G. Agazie et al. (NANOGrav), Astrophys. J. Lett. 952, L37 (2023c), arXiv:2306.16220 [astro-ph.HE] .
  13. A. Ghoshal and A. Strumia,   (2023), arXiv:2306.17158 [astro-ph.CO] .
  14. N. Kitajima and K. Nakayama,   (2023), arXiv:2306.17390 [hep-ph] .
  15. G. Servant and P. Simakachorn,   (2023), arXiv:2307.03121 [hep-ph] .
  16. M. Yamada and K. Yonekura,   (2023a), arXiv:2307.06586 [hep-ph] .
  17. S. Ge,   (2023), arXiv:2307.08185 [gr-qc] .
  18. S.-P. Li and K.-P. Xie,   (2023), arXiv:2307.01086 [hep-ph] .
  19. P. Di Bari and M. H. Rahat,   (2023), arXiv:2307.03184 [hep-ph] .
  20. Y. Gouttenoire,   (2023), arXiv:2307.04239 [hep-ph] .
  21. D. Wang,   (2023), arXiv:2307.15970 [astro-ph.CO] .
  22. Y. Gouttenoire and E. Vitagliano,   (2023), arXiv:2306.17841 [gr-qc] .
  23. B.-Q. Lu and C.-W. Chiang,   (2023), arXiv:2307.00746 [hep-ph] .
  24. X.-F. Li,   (2023), arXiv:2307.03163 [hep-ph] .
  25. G. B. Gelmini and J. Hyman,   (2023), arXiv:2307.07665 [hep-ph] .
  26. S. Vagnozzi, JHEAp 39, 81 (2023), arXiv:2306.16912 [astro-ph.CO] .
  27. K. T. Abe and Y. Tada,   (2023), arXiv:2307.01653 [astro-ph.CO] .
  28. H. Firouzjahi and A. Talebian,   (2023), arXiv:2307.03164 [gr-qc] .
  29. A. Salvio,   (2023), arXiv:2307.04694 [hep-ph] .
  30. G. Ye and A. Silvestri,   (2023), arXiv:2307.05455 [astro-ph.CO] .
  31. L. Frosina and A. Urbano,   (2023), arXiv:2308.06915 [astro-ph.CO] .
  32. S. Datta,   (2023), arXiv:2307.00646 [hep-ph] .
  33. K. Murai and W. Yin,   (2023), arXiv:2307.00628 [hep-ph] .
  34. X. Niu and M. H. Rahat,   (2023), arXiv:2307.01192 [hep-ph] .
  35. S. Choudhury,   (2023), arXiv:2307.03249 [astro-ph.CO] .
  36. W. H. Press and P. Schechter, Astrophys. J. 187, 425 (1974).
  37. C. G. Lacey and S. Cole, Mon. Not. Roy. Astron. Soc. 262, 627 (1993).
  38. J. Kormendy and L. C. Ho, Ann. Rev. Astron. Astrophys. 51, 511 (2013), arXiv:1304.7762 [astro-ph.CO] .
  39. A. E. Reines and M. Volonteri, ApJ 813, 82 (2015), arXiv:1508.06274 [astro-ph.GA] .
  40. E. S. Phinney,   (2001), arXiv:astro-ph/0108028 .
  41. M. Enoki and M. Nagashima, Prog. Theor. Phys. 117, 241 (2007), arXiv:astro-ph/0609377 .
  42. A. G. Abac et al. (LIGO Scientific, VIRGO, KAGRA Collaborations),  (2023), arXiv:2308.03822 [astro-ph.HE] .
  43. B. Liu and V. Bromm, Astrophys. J. Lett. 937, L30 (2022), arXiv:2208.13178 [astro-ph.CO] .
  44. P. Parashari and R. Laha,   (2023), arXiv:2305.00999 [astro-ph.CO] .
  45. S. Hassan et al.,   (2023), arXiv:2305.02703 [astro-ph.CO] .
  46. G. Agazie et al. (NANOGrav Collaboration), Astrophys. J. Lett. 951, L50 (2023d), arXiv:2306.16222 [astro-ph.HE] .
  47. J. Antoniadis et al.,   (2023d), arXiv:2306.16226 [astro-ph.HE] .
  48. G. Sato-Polito and M. Kamionkowski, Phys. Rev. D 106, 023004 (2022), arXiv:2111.05867 [astro-ph.CO] .
  49. G. Sato-Polito and M. Kamionkowski,   (2023), arXiv:2305.05690 [astro-ph.CO] .
  50. M. B. Hindmarsh and T. W. B. Kibble, Rept. Prog. Phys. 58, 477 (1995), arXiv:hep-ph/9411342 .
  51. G. Dvali and A. Vilenkin, JCAP 03, 010 (2004), arXiv:hep-th/0312007 .
  52. M. Yamada and K. Yonekura, Phys. Lett. B 838, 137724 (2023b), arXiv:2204.13125 [hep-th] .
  53. M. Yamada and K. Yonekura, Phys. Rev. D 106, 123515 (2022), arXiv:2204.13123 [hep-th] .
  54. M. Sakellariadou, JCAP 04, 003 (2005), arXiv:hep-th/0410234 .
  55. C. J. A. P. Martins and E. P. S. Shellard, Phys. Rev. D 53, 575 (1996a), arXiv:hep-ph/9507335 .
  56. C. J. A. P. Martins and E. P. S. Shellard, Phys. Rev. D 54, 2535 (1996b), arXiv:hep-ph/9602271 .
  57. C. J. A. P. Martins and E. P. S. Shellard, Phys. Rev. D 65, 043514 (2002), arXiv:hep-ph/0003298 .
  58. P. P. Avelino and L. Sousa, Phys. Rev. D 85, 083525 (2012), arXiv:1202.6298 [astro-ph.CO] .
  59. L. Sousa and P. P. Avelino, Phys. Rev. D 88, 023516 (2013), arXiv:1304.2445 [astro-ph.CO] .
  60. J. J. Blanco-Pillado and K. D. Olum, Phys. Rev. D 96, 104046 (2017), arXiv:1709.02693 [astro-ph.CO] .
  61. J. J. Blanco-Pillado and K. D. Olum, Phys. Rev. D 101, 103018 (2020), arXiv:1912.10017 [astro-ph.CO] .
  62. P. Auclair et al., JCAP 04, 034 (2020), arXiv:1909.00819 [astro-ph.CO] .
  63. C. J. Burden, Phys. Lett. B 164, 277 (1985).
  64. J. Aasi et al. (LIGO Scientific Collaboration), Class. Quant. Grav. 32, 074001 (2015), arXiv:1411.4547 [gr-qc] .
  65. B. P. Abbott et al. (LIGO Scientific, Virgo Collaborations), Phys. Rev. Lett. 116, 131102 (2016), arXiv:1602.03847 [gr-qc] .
  66. B. P. Abbott et al. (LIGO Scientific, Virgo Collaborations), Phys. Rev. D 100, 061101 (2019b), arXiv:1903.02886 [gr-qc] .
  67. E. Witten, Phys. Rev. D 30, 272 (1984).
  68. C. J. Hogan, Mon. Not. Roy. Astron. Soc. 218, 629 (1986).
  69. M. Lewicki and V. Vaskonen, Eur. Phys. J. C 83, 109 (2023), arXiv:2208.11697 [astro-ph.CO] .
  70. M. Hindmarsh, Phys. Rev. Lett. 120, 071301 (2018), arXiv:1608.04735 [astro-ph.CO] .
  71. M. Hindmarsh and M. Hijazi, JCAP 12, 062 (2019), arXiv:1909.10040 [astro-ph.CO] .
  72. A. Kosowsky and M. S. Turner, Phys. Rev. D 47, 4372 (1993), arXiv:astro-ph/9211004 .
  73. M. Lewicki and V. Vaskonen, Phys. Dark Univ. 30, 100672 (2020a), arXiv:1912.00997 [astro-ph.CO] .
  74. M. Lewicki and V. Vaskonen, Eur. Phys. J. C 80, 1003 (2020b), arXiv:2007.04967 [astro-ph.CO] .
  75. M. Lewicki and V. Vaskonen, Eur. Phys. J. C 81, 437 (2021), [Erratum: Eur.Phys.J.C 81, 1077 (2021)], arXiv:2012.07826 [astro-ph.CO] .
  76. D. Wang,   (2022), arXiv:2201.09295 [astro-ph.CO] .
  77. Y. Gouttenoire and T. Volansky,   (2023), arXiv:2305.04942 [hep-ph] .
  78. P. Tisserand et al. (EROS-2), Astron. Astrophys. 469, 387 (2007), arXiv:astro-ph/0607207 .
  79. R. A. Allsman et al. (Macho), Astrophys. J. Lett. 550, L169 (2001), arXiv:astro-ph/0011506 .
  80. M. Zumalacarregui and U. Seljak, Phys. Rev. Lett. 121, 141101 (2018), arXiv:1712.02240 [astro-ph.CO] .
  81. M. Gorton and A. M. Green, JCAP 08, 035 (2022), arXiv:2203.04209 [astro-ph.CO] .
  82. V. Vaskonen and H. Veermäe, Phys. Rev. D 101, 043015 (2020), arXiv:1908.09752 [astro-ph.CO] .
  83. B. Horowitz,   (2016), arXiv:1612.07264 [astro-ph.CO] .
  84. Y. Ali-Haïmoud and M. Kamionkowski, Phys. Rev. D 95, 043534 (2017), arXiv:1612.05644 [astro-ph.CO] .
  85. S. Clesse and J. Garcia-Bellido, Phys. Dark Univ. 38, 101111 (2022), arXiv:2007.06481 [astro-ph.CO] .
  86. A. Vilenkin, Phys. Rept. 121, 263 (1985).
  87. T. W. B. Kibble, J. Phys. A 9, 1387 (1976).
  88. N. Aghanim et al. (Planck Collaboration), Astron. Astrophys. 641, A6 (2020), [Erratum: Astron.Astrophys. 652, C4 (2021)], arXiv:1807.06209 [astro-ph.CO] .
  89. R. Allahverdi et al.,  (2020), 10.21105/astro.2006.16182, arXiv:2006.16182 [astro-ph.CO] .
  90. K. Tomita, Prog. Theor. Phys. 54, 730 (1975).
  91. G. Domènech, Universe 7, 398 (2021), arXiv:2109.01398 [gr-qc] .
  92. C. Yuan and Q.-G. Huang,   (2021a), arXiv:2103.04739 [astro-ph.GA] .
  93. V. Vaskonen and H. Veermäe, Phys. Rev. Lett. 126, 051303 (2021), arXiv:2009.07832 [astro-ph.CO] .
  94. N. Bhaumik and R. K. Jain, Phys. Rev. D 104, 023531 (2021), arXiv:2009.10424 [astro-ph.CO] .
  95. K. Kohri and T. Terada, Phys. Lett. B 813, 136040 (2021), arXiv:2009.11853 [astro-ph.CO] .
  96. G. Domènech and S. Pi, Sci. China Phys. Mech. Astron. 65, 230411 (2022), arXiv:2010.03976 [astro-ph.CO] .
  97. S. Vagnozzi, Mon. Not. Roy. Astron. Soc. 502, L11 (2021), arXiv:2009.13432 [astro-ph.CO] .
  98. R. Namba and M. Suzuki, Phys. Rev. D 102, 123527 (2020), arXiv:2009.13909 [astro-ph.CO] .
  99. M. Kawasaki and H. Nakatsuka, JCAP 05, 023 (2021), arXiv:2101.11244 [astro-ph.CO] .
  100. Z. Yi and Q. Fei, Eur. Phys. J. C 83, 82 (2023), arXiv:2210.03641 [astro-ph.CO] .
  101. Z. Yi, JCAP 03, 048 (2023), arXiv:2206.01039 [gr-qc] .
  102. Z. Arzoumanian et al. (NANOGrav Collaboration), Astrophys. J. Lett. 905, L34 (2020), arXiv:2009.04496 [astro-ph.HE] .
  103. K. Inomata and T. Terada, Phys. Rev. D 101, 023523 (2020), arXiv:1912.00785 [gr-qc] .
  104. G. Domènech and M. Sasaki, Phys. Rev. D 103, 063531 (2021), arXiv:2012.14016 [gr-qc] .
  105. K. Kohri and T. Terada, Phys. Rev. D 97, 123532 (2018), arXiv:1804.08577 [gr-qc] .
  106. C. Germani and R. K. Sheth, Phys. Rev. D 101, 063520 (2020), arXiv:1912.07072 [astro-ph.CO] .
  107. S. Young, Int. J. Mod. Phys. D 29, 2030002 (2019), arXiv:1905.01230 [astro-ph.CO] .
  108. C. Germani and R. K. Sheth,   (2023), arXiv:2308.02971 [astro-ph.CO] .
  109. L. P. Grishchuk, Zh. Eksp. Teor. Fiz. 67, 825 (1974).
  110. A. A. Starobinsky, JETP Lett. 30, 682 (1979).
  111. A. Afzal et al. (NANOGrav), Astrophys. J. Lett. 951, L11 (2023), arXiv:2306.16219 [astro-ph.HE] .
  112. L. A. Boyle and A. Buonanno, Phys. Rev. D 78, 043531 (2008), arXiv:0708.2279 [astro-ph] .
  113. C. Caprini and D. G. Figueroa, Class. Quant. Grav. 35, 163001 (2018), arXiv:1801.04268 [astro-ph.CO] .
  114. M. Maggiore, Phys. Rept. 331, 283 (2000), arXiv:gr-qc/9909001 .
  115. A. Chatrchyan and J. Jaeckel, JCAP 02, 003 (2021), arXiv:2004.07844 [hep-ph] .
  116. D. J. E. Marsh, Phys. Rept. 643, 1 (2016), arXiv:1510.07633 [astro-ph.CO] .
  117. N. Bartolo et al., JCAP 12, 026 (2016), arXiv:1610.06481 [astro-ph.CO] .
  118. P. Auclair et al. (LISA Cosmology Working Group),   (2022), arXiv:2204.05434 [astro-ph.CO] .
  119. M. Punturo et al., Class. Quant. Grav. 27, 194002 (2010).
  120. S. Hild et al., Class. Quant. Grav. 28, 094013 (2011), arXiv:1012.0908 [gr-qc] .
  121. L. Badurina et al., JCAP 05, 011 (2020), arXiv:1911.11755 [astro-ph.CO] .
  122. Y. A. El-Neaj et al. (AEDGE Collaboration), EPJ Quant. Technol. 7, 6 (2020), arXiv:1908.00802 [gr-qc] .
  123. B. Sathyaprakash et al., Class. Quant. Grav. 29, 124013 (2012), [Erratum: Class.Quant.Grav. 30, 079501 (2013)], arXiv:1206.0331 [gr-qc] .
  124. D. Reitze et al., Bull. Am. Astron. Soc. 51, 035 (2019), arXiv:1907.04833 [astro-ph.IM] .
  125. C. Unal, Phys. Rev. D 99, 041301 (2019), arXiv:1811.09151 [astro-ph.CO] .
  126. C. Yuan and Q.-G. Huang, Phys. Lett. B 821, 136606 (2021b), arXiv:2007.10686 [astro-ph.CO] .
  127. H. V. Ragavendra, Phys. Rev. D 105, 063533 (2022), arXiv:2108.04193 [astro-ph.CO] .
  128. V. Atal and G. Domènech, JCAP 06, 001 (2021), arXiv:2103.01056 [astro-ph.CO] .
Citations (65)
View on Semantic Scholar

Summary

We haven't generated a summary for this paper yet.

Ai Sparkles Streamline Icon: https://streamlinehq.com Summarize Now