El conjunto de datos NANOGrav de 15 años: Restricciones sobre los agujeros negros supermasivos binarios a partir del fondo de ondas gravitacionales
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Fecha
2023
Título de la revista
Publicado en
Volume 952, Issue 21, August 2023
Publicado por
American Astronomical Society
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Resumen
El conjunto de datos de 15 años de NANOGrav muestra evidencias de la presencia de un fondo de ondas gravitacionales (GWB) de baja frecuencia. Aunque muchos procesos físicos pueden originar estas ondas gravitacionales de baja frecuencia, aquí analizamos la señal como procedente de una población de agujeros negros binarios supermasivos (SMBH) distribuidos por todo el Universo. Demostramos que los modelos astrofísicos de poblaciones binarias SMBH son capaces de reproducir tanto la amplitud como la forma del espectro de ondas gravitacionales de baja frecuencia observado. Aunque múltiples variaciones del modelo son capaces de reproducir el espectro GWB con nuestra precisión de medida actual, nuestros resultados subrayan la importancia de modelar con precisión la evolución binaria para producir espectros GWB realistas. Además, aunque unos parámetros razonables son capaces de reproducir las observaciones de 15 años, la amplitud implícita del GWB requiere que un gran número de parámetros se sitúen en los límites de los valores esperados o que un pequeño número de parámetros difieran notablemente de las expectativas estándar. Aunque todavía no somos capaces de establecer definitivamente el origen de la señal GWB inferida, la consistencia de la señal con las expectativas astrofísicas ofrece una perspectiva tentadora para confirmar que las binarias SMBH son capaces de formarse, alcanzar separaciones de sub-segundos y finalmente unirse. A medida que la importancia aumente con el tiempo, las características de orden superior del espectro del GWB determinarán definitivamente la naturaleza del GWB y permitirán nuevas restricciones sobre las poblaciones de SMBH. © 2023
Descripción
Abstract
The NANOGrav 15 yr data set shows evidence for the presence of a low-frequency gravitational-wave background (GWB). While many physical processes can source such low-frequency gravitational waves, here we analyze the signal as coming from a population of supermassive black hole (SMBH) binaries distributed throughout the Universe. We show that astrophysically motivated models of SMBH binary populations are able to reproduce both the amplitude and shape of the observed low-frequency gravitational-wave spectrum. While multiple model variations are able to reproduce the GWB spectrum at our current measurement precision, our results highlight the importance of accurately modeling binary evolution for producing realistic GWB spectra. Additionally, while reasonable parameters are able to reproduce the 15 yr observations, the implied GWB amplitude necessitates either a large number of parameters to be at the edges of expected values or a small number of parameters to be notably different from standard expectations. While we are not yet able to definitively establish the origin of the inferred GWB signal, the consistency of the signal with astrophysical expectations offers a tantalizing prospect for confirming that SMBH binaries are able to form, reach subparsec separations, and eventually coalesce. As the significance grows over time, higher-order features of the GWB spectrum will definitively determine the nature of the GWB and allow for novel constraints on SMBH populations. © 2023. The Author(s). Published by the American Astronomical Society.
Palabras clave
Ondas gravitacionales, Agujeros negros supermasivos, Evolución de las galaxias
Keywords
Gravitational waves, Supermassive black holes, Galaxy evolution