NANOGrav 九年数据集：对各向同性随机引力波背景的限制

我们利用北美纳赫兹引力波天文台（NANOGrav）合作组的九年数据发布，计算了纳赫兹频率各向同性随机引力波背景（GWB）的上限。针对来自超大质量黑洞双星的 GWB，我们在幂律、断裂幂律和自由谱系数引力波谱模型下设定了上限。在幂律模型中，我们在频率 yr$^{-1}$ 处对应变振幅给出 95\% 上限 $A_{\rm gw} < 1.5\times 10^{-15}$。对于断裂幂律模型，我们基于 Sesana (2013) 和 McWilliams 等人 (2014) 的模拟对应变振幅施加先验。我们发现数据支持断裂幂律优于纯幂律，对于 McWilliams 和 Sesana 先验模型，赔率比分别为 22:1 和 2.2:1。McWilliams 模型基本上被数据排除，而 Sesana 模型在纯幂律假设下与数据存在张力。利用断裂幂律分析，我们构建了将双星驱动至引力波主导区域的环境因子的后验分布，包括恒星散射的恒星质量密度、环双星盘相互作用的质量吸积率，以及偏心双星的轨道偏心率，这标志着首次利用 GWB 谱形状进行天体物理推断。随后，我们对遗迹引力波的能量密度给出了迄今最严格限制，$\Omega_{\mathrm{gw}}(f)\,h^2 < 4.2 \times 10^{-10}$，从而得到暴胀期间哈勃参数的限制 $H_*=1.6\times10^{-2}~m_{Pl}$，其中 $m_{Pl}$ 为普朗克质量。我们对宇宙弦 GWB 的限制 $\Omega_{\mathrm{gw}}(f)\, h^2 < 2.2 \times 10^{-10}$ 转化为保守限制 $G\mu<3.3\times 10^{-8}$——比其它实验的普朗克与高-$l$ CMB 联合数据好一个因子 4。