Probing the speed of scalar-induced gravitational waves with pulsar timing arrays
Abstract: Recently, several regional pulsar timing array collaborations, including CPTA, EPTA, PPTA, and NANOGrav, have individually reported compelling evidence for a stochastic signal at nanohertz frequencies. This signal originates potentially from scalar-induced gravitational waves associated with significant primordial curvature perturbations on small scales. In this letter, we employ data from the EPTA DR2, PPTA DR3, and NANOGrav 15-year data set, to explore the speed of scalar-induced gravitational waves using a comprehensive Bayesian analysis. Our results suggest that, to be consistent with pulsar timing array observations, the speed of scalar-induced gravitational waves should be at a credible interval for a lognormal power spectrum of curvature perturbations. Additionally, this constraint aligns with the prediction of general relativity that within a credible interval. Our findings underscore the capacity of pulsar timing arrays as a powerful tool for probing the speed of scalar-induced gravitational waves.
- B. P. Abbott et al. (LIGO Scientific, Virgo), Phys. Rev. X 9, 031040 (2019a), arXiv:1811.12907 [astro-ph.HE] .
- R. Abbott et al. (LIGO Scientific, Virgo), Phys. Rev. X 11, 021053 (2021a), arXiv:2010.14527 [gr-qc] .
- B. P. Abbott et al. (LIGO Scientific, Virgo), Phys. Rev. D 100, 104036 (2019b), arXiv:1903.04467 [gr-qc] .
- R. Abbott et al. (LIGO Scientific, Virgo), Phys. Rev. D 103, 122002 (2021b), arXiv:2010.14529 [gr-qc] .
- B. P. Abbott et al. (LIGO Scientific, Virgo), Astrophys. J. Lett. 882, L24 (2019c), arXiv:1811.12940 [astro-ph.HE] .
- Z.-C. Chen and Q.-G. Huang, JCAP 08, 039 (2020), arXiv:1904.02396 [astro-ph.CO] .
- R. Abbott et al. (LIGO Scientific, Virgo), Astrophys. J. Lett. 913, L7 (2021d), arXiv:2010.14533 [astro-ph.HE] .
- M. V. Sazhin, Soviet Astronomy 22, 36 (1978).
- S. L. Detweiler, Astrophys. J. 234, 1100 (1979).
- R. S. Foster and D. C. Backer, Astrophys. J. 361, 300 (1990).
- S. Vagnozzi, Mon. Not. Roy. Astron. Soc. 502, L11 (2021), arXiv:2009.13432 [astro-ph.CO] .
- M. Falxa et al. (IPTA), Mon. Not. Roy. Astron. Soc. 521, 5077 (2023), arXiv:2303.10767 [gr-qc] .
- H. Xu et al., Res. Astron. Astrophys. 23, 075024 (2023), arXiv:2306.16216 [astro-ph.HE] .
- J. Antoniadis et al. (EPTA), Astron. Astrophys. 678, A48 (2023a), arXiv:2306.16224 [astro-ph.HE] .
- J. Antoniadis et al. (EPTA, InPTA:), Astron. Astrophys. 678, A50 (2023b), arXiv:2306.16214 [astro-ph.HE] .
- A. Zic et al.,  (2023), arXiv:2306.16230 [astro-ph.HE] .
- D. J. Reardon et al., Astrophys. J. Lett. 951, L6 (2023), arXiv:2306.16215 [astro-ph.HE] .
- G. Agazie et al. (NANOGrav), Astrophys. J. Lett. 951, L9 (2023a), arXiv:2306.16217 [astro-ph.HE] .
- G. Agazie et al. (NANOGrav), Astrophys. J. Lett. 951, L8 (2023b), arXiv:2306.16213 [astro-ph.HE] .
- A. Afzal et al. (NANOGrav), Astrophys. J. Lett. 951, L11 (2023), arXiv:2306.16219 [astro-ph.HE] .
- J. Antoniadis et al. (EPTA),  (2023c), arXiv:2306.16227 [astro-ph.CO] .
- S. Vagnozzi, JHEAp 39, 81 (2023), arXiv:2306.16912 [astro-ph.CO] .
- S.-P. Li and K.-P. Xie, Phys. Rev. D 108, 055018 (2023), arXiv:2307.01086 [hep-ph] .
- K. T. Abe and Y. Tada, Phys. Rev. D 108, L101304 (2023), arXiv:2307.01653 [astro-ph.CO] .
- S. Choudhury,  (2023), arXiv:2307.03249 [astro-ph.CO] .
- R. Maji and W.-I. Park, JCAP 01, 015 (2024), arXiv:2308.11439 [hep-ph] .
- G. Agazie et al. (International Pulsar Timing Array),  (2023c), arXiv:2309.00693 [astro-ph.HE] .
- Q. Fei,  (2023), arXiv:2310.17199 [gr-qc] .
- J. Garcia-Bellido and E. Ruiz Morales, Phys. Dark Univ. 18, 47 (2017), arXiv:1702.03901 [astro-ph.CO] .
- C. Germani and T. Prokopec, Phys. Dark Univ. 18, 6 (2017), arXiv:1706.04226 [astro-ph.CO] .
- Z.-C. Chen and Q.-G. Huang, Astrophys. J. 864, 61 (2018), arXiv:1801.10327 [astro-ph.CO] .
- Y. Wu, Phys. Rev. D 101, 083008 (2020), arXiv:2001.03833 [astro-ph.CO] .
- V. Vaskonen and H. Veermäe, Phys. Rev. Lett. 126, 051303 (2021), arXiv:2009.07832 [astro-ph.CO] .
- G. Domènech and S. Pi, Sci. China Phys. Mech. Astron. 65, 230411 (2022), arXiv:2010.03976 [astro-ph.CO] .
- S. Kawai and J. Kim, Phys. Rev. D 104, 083545 (2021), arXiv:2108.01340 [astro-ph.CO] .
- B. Carr and F. Kuhnel, Ann. Rev. Nucl. Part. Sci. 70, 355 (2020), arXiv:2006.02838 [astro-ph.CO] .
- K. Kohri and T. Terada, Phys. Rev. D 97, 123532 (2018), arXiv:1804.08577 [gr-qc] .
- Z. Yi and Z.-H. Zhu, JCAP 05, 046 (2022), arXiv:2105.01943 [gr-qc] .
- Z. Yi, JCAP 03, 048 (2023), arXiv:2206.01039 [gr-qc] .
- Z. Yi and Q. Fei, Eur. Phys. J. C 83, 82 (2023), arXiv:2210.03641 [astro-ph.CO] .
- G. Domènech, Universe 7, 398 (2021), arXiv:2109.01398 [gr-qc] .
- B. P. Abbott et al. (LIGO Scientific, Virgo), Phys. Rev. Lett. 119, 161101 (2017a), arXiv:1710.05832 [gr-qc] .
- S. Weinberg, Phys. Rev. D 69, 023503 (2004), arXiv:astro-ph/0306304 .
- Y. Watanabe and E. Komatsu, Phys. Rev. D 73, 123515 (2006), arXiv:astro-ph/0604176 .
- J. Li and G.-H. Guo,  (2023), arXiv:2312.04589 [gr-qc] .
- E. Thrane and J. D. Romano, Phys. Rev. D 88, 124032 (2013), arXiv:1310.5300 [astro-ph.IM] .
- R. w. Hellings and G. s. Downs, Astrophys. J. Lett. 265, L39 (1983).
- J. Antoniadis et al. (EPTA, InPTA:), Astron. Astrophys. 678, A50 (2023d), arXiv:2306.16214 [astro-ph.HE] .
- N. Aghanim et al. (Planck), Astron. Astrophys. 641, A6 (2020), [Erratum: Astron.Astrophys. 652, C4 (2021)], arXiv:1807.06209 [astro-ph.CO] .
- C. J. Moore and A. Vecchio, Nature Astron. 5, 1268 (2021), arXiv:2104.15130 [astro-ph.CO] .
- J. S. Speagle, Mon. Not. Roy. Astron. Soc. 493, 3132 (2020), arXiv:1904.02180 [astro-ph.IM] .
- G. Ashton et al., Astrophys. J. Suppl. 241, 27 (2019), arXiv:1811.02042 [astro-ph.IM] .
- I. M. Romero-Shaw et al., Mon. Not. Roy. Astron. Soc. 499, 3295 (2020), arXiv:2006.00714 [astro-ph.IM] .
- T. J. W. Lazio, Class. Quant. Grav. 30, 224011 (2013).
Paper Prompts
Sign up for free to create and run prompts on this paper.