The stochastic background: scaling laws and time to detection for pulsar timing arrays
我们推导出最佳互相关统计量的信噪比的标度律，并表明，作为观测时间的函数的信号噪声比的大幂律增加$T$，通常假设只在早期举行。经过足够的时间后，脉冲星计时阵列进入一个新的状态，信号与噪声的比例仅为$\sqrt{T}$。此外，在这一制度的脉冲星定时数据的质量和节奏变得相对不重要。这是因为脉冲星计时残差的最低频率变成了引力波主导。脉冲星计时阵列进入这种状态的速度比人们天真地怀疑的要快。对于T=10年的观测和典型的随机背景振幅，剩余均方根值小于约$1\,μ$ s的类星体已经处于该区域。在这种情况下，提高背景探测能力的最佳策略是增加阵列中的雷达数量。我们还对NANOGrav脉冲星定时阵列进行了逼真的模拟，该阵列通过积极的脉冲星调查活动定期向其阵列中添加新的毫秒脉冲星，并表明检测可能在十年内进行，最早可能在2016年发生。
2013-05-14 astro-ph.CO astro-ph.IM
Pulsar and cosmic variances of pulsar timing-array correlation measurements of the stochastic gravitational wave background
脉冲星时序阵列相关测量提供了一个令人兴奋的机会，以测试在宇宙学新颖的纳赫兹引力波制度的引力的性质。随机引力波背景假设为高斯随机，而天空中脉冲星对有限。这给相关测量带来了理论上的不确定性，即脉冲星采样引起的脉冲星方差和高斯信号引起的宇宙方差。我们展示了一个简单的计算的平均值和方差的Hellings-Downs相关依赖于功率谱形式主义。我们保持任意脉冲星的距离，并考虑超越爱因斯坦引力的引力波模式，以及整个光锥，从而提出了最一般的，最重要的是，数值有效的计算的方差。
2022-11-15 astro-ph.CO gr-qc
Gravitational Wave Timing Residual Models for Pulsar Timing Experiments
脉冲星计时实验是目前寻找引力波的主要手段，本文主要研究用于连续波搜索的脉冲星计时残差模型。这项工作的第一个目标是再现脉冲星计时中使用的计算和理论背后的许多基本物理和数学概念。虽然在文献中有许多参考资料，但我试图对这项研究的基本原理提供一个完全独立的解释，我希望读者会发现这是有帮助的。广义上讲，下一个目标是进一步发展目前使用的脉冲星计时模型背后的数学，以便通过脉冲星计时实验探测引力波。我分类四个制度的利益，受频率演变和波前曲率效应纳入定时残差模型。在这四种状态中，平面波模型在以前的文献中已经很好地建立。我添加了一个新的制度，我标签为“菲涅耳”，因为我表明它变得重要的重要菲涅耳数描述的引力波阵面的曲率。然后，我做了两个深入的研究。第一个预测未来脉冲星定时实验的能力，探测和测量这些菲涅尔效应。第二个模型进一步推广到宇宙膨胀的宇宙，我展示了如何哈勃常数可以直接测量最广义的脉冲星定时残差模型。这为未来的脉冲星计时实验提供了一种可能性，即能够获得纯粹基于引力波的哈勃常数测量。最后一章显示了初步采取的步骤，以扩大这项工作在未来的多普勒跟踪实验。
2023-01-05 astro-ph.CO astro-ph.HE gr-qc
Observing gravitational wave bursts in pulsar timing measurements
我们提出了一种观察超大质量黑洞（SMBH）合并的引力波特征的新方法。这种方法是基于一个特定类型的引力波，即引力波突发与记忆（BWM）的检测，使用脉冲星计时。我们研究了脉冲星计时残差中BWM产生的独特信号。我们表明，目前的脉冲星定时精度允许人们检测到BWM由于SMBH合并从距离高达1 Gpc（对于相同的质量10^8 Msun SMBH的情况下）。脉冲星计时精度的提高以及观测到的脉冲星数量的增加最终将导致探测到由于SMBH合并而产生的BWM信号，从而使所提出的技术与计划中的LISA任务的能力互补。
2010-02-28 astro-ph.CO astro-ph.IM gr-qc
Dark Matter Microhalos in the Solar Neighborhood: Pulsar Timing Signatures of Early Matter Domination
脉冲星计时提供了一种灵敏的小尺度结构探测器。由不均匀环境引起的引力扰动在脉动阶段可以表现为可检测的扰动。因此，脉冲星计时阵列被提议作为$10^{-11} M_\odot$质量尺度上的暗物质子结构的探测器。由于小尺度质量分布与早期宇宙物理学有关，因此脉冲星计时可以限制大爆炸核合成（BBN）之前的热历史，这一时期在很大程度上尚未探测。在这里，我们探讨脉冲星定时阵列的前景，以检测由早期物质支配（EMD）BBN之前的一段时间的印记暗子结构。EMD放大了密度的变化，导致了地球质量以下的高密度暗物质微晕。我们使用最近开发的半解析模型来表征EMD引起的微晕的分布，我们评估在何种程度上可以检测到这些微晕引起的脉冲星时序失真。广义地说，我们发现子0.1- $μ$的定时噪声残差是探测EMD所必需的。然而，与10纳秒的残差，脉冲星定时阵列只有70个脉冲星可以检测到的证据EMD时代的观测时间为20年，如果再热温度是10兆电子伏的顺序。在40年的观测时间里，脉冲星定时阵列可以探测高达150 MeV的EMD再热温度。
2022-06-22 astro-ph.CO astro-ph.HE hep-ph
Ephemeris Errors and the Gravitational Wave Signal: Harmonic Mode Coupling in Pulsar Timing Array Searches
脉冲星定时阵列对随机引力波背景的任何明确探测都将依赖于对脉冲星之间特征角相关的测量。测量这种相关性的能力将取决于阵列的几何形状。然而，空间相关的噪声源，如行星星历或时钟误差的错误，可以产生假正相关。这种污染的严重程度还将取决于阵列的几何形状。本文用脉冲星计时残差的球谐分析来量化这些几何效应。为了同时测量一个引力波背景并将其与星历和时钟误差分离，至少需要9个间隔良好的天文台。均匀分布的毫秒星可以消除大量毫秒星阵列的污染，但遵循已知毫秒星银河系分布的毫秒星总是会受到影响。我们定量地证明了需要阵列，包括许多prongars和prongars尽可能均匀地分布。最后，我们提出了一种技术，干净地分离的影响，星历和时钟误差的引力波信号。
2019-05-24 astro-ph.CO astro-ph.HE
Pulsar timing array constraints on spin-2 ULDM
超轻暗物质（ULDM）模型是宇宙学暗物质的合适候选者，它可能在许多可观测量中留下特征印记。在其他探测器中，可以在脉冲星定时数据中搜索ULDM的签名。在这项工作中，我们描述了自旋-2 ULDM脉冲星定时阵列的影响，扩展以前的结果较低的自旋。自旋-2 ULDM普遍耦合到具有无量纲强度$α$的标准物质。我们估计，目前的数据可以约束这种耦合在质量范围$m\lesssim4\times10^{-22}$ eV的$10^{-5}$到$10^{-6}$水平，这是最有竞争力的约束，在这个质量范围。自旋为2的ULDM对脉冲星计时的影响的一个关键特征是其各向异性的四极形状。这一特征有助于区分自旋2 ULDM与标量ULDM的效应，以及PTA实验的系统学。
2020-09-21 astro-ph.CO astro-ph.HE
Nancay radiotelescope as part of the international Pulsar Timing campaigns
南凯射电望远镜从事高精度授时工作已有20年。自2004年以来，相干去色散仪器使200多颗恒星的大量常规观测成为可能，使用了这台100米级射电望远镜一半的时间。目前正在进行两个主要项目。一个大的年轻和年老的恒星被定时为多波长的方法，补充了非常成功的高能观测的恒星所做的费米。作为我们对欧洲脉冲星定时阵列的贡献，我们监测了一组高稳定的毫秒脉冲星，以探测宇宙学引力波背景。
2009-11-09 astro-ph.CO astro-ph.HE astro-ph.IM
Non-Gaussian timing residual skewness in pulsar timing arrays
Max Planck Institute for Gravitational Physics (Albert Einstein Institute), Leibnitz Universität Hannover（马克斯·普朗克引力物理研究所（爱因斯坦研究所），莱布尼茨汉诺威大学）；Department of Physics, National Central University（国立中央大学物理系）；Institute of Physics, Academia Sinica（台湾中央研究院物理研究所）；Institute of Astronomy and Astrophysics, Academia Sinica（台湾中央研究院天文及天文物理研究所）
受宇宙微波背景非高斯性搜索启发，我们研究脉冲星计时阵列中引力波背景的非高斯偏离，提出偏振框架不变模型，发现归一化偏度极小。
2026-10-05 astro-ph.CO gr-qc
The noise properties of 42 millisecond pulsars from the European Pulsar Timing Array and their impact on gravitational wave searches
脉冲星定时阵列对引力波的灵敏度取决于单个脉冲星定时数据中存在的噪声。噪声对于脉冲星来说既可以是内在的，也可以是外在的。例如，噪声的内在来源将包括旋转不稳定性。噪声的外部来源包括没有充分建模的物理过程的贡献，例如色散和散射效应、分析误差和仪器不稳定性。我们提出的结果，从噪声分析的42毫秒脉冲星（MSP）观察到的欧洲脉冲星定时阵列。为了表征低频，随机和无色噪声分量，或“定时噪声”，我们采用两种方法，基于贝叶斯和频率统计。对于25个MSP，我们实现了统计上显着的测量其定时噪声参数，并发现这两种方法给出了一致的结果。对于其余17个MSP，我们在95%置信水平下对定时噪声幅度设置上限。此外，我们把上限的脉冲星噪声预算的参考陆地时间标准的误差（低于1%）的贡献，我们发现的证据，噪声分量，这是目前只在四个使用的望远镜之一的数据。最后，我们估计，个别的时间噪声的各向同性，随机GW背景的数据集的灵敏度降低了一个因素>9.1和一个因素>2.3的连续GW从可分辨的，螺旋形的超大质量黑洞二进制与圆形轨道。
2016-01-20 astro-ph.CO astro-ph.IM
Optimizing Pulsar Timing Arrays to Maximize Gravitational Wave Single Source Detection: a First Cut
脉冲星定时阵列（PTAs）利用一组低定时噪声脉冲星的高精度定时来搜索微赫兹到纳赫兹频段的引力波。这样一个PTA的灵敏度取决于（a）引力波源的方向，（b）阵列中天文台的定时精度和（c）如何在这些天文台之间分配可用的观测时间。在这里，我们提出了一个简单的方法来计算的PTA的灵敏度作为一个单一的GW源的方向的函数，仅基于阵列中的天线的位置和均方根残差。我们使用这个计算，建议未来的战略，目前的北美纳赫兹天文台的引力波（NANOGrav）PTA在其目标是检测单个GW源。我们还调查了阵列灵敏度上的一个额外的脉冲星的影响，建议PTA脉冲星搜索可能是最好的方向的目标。我们证明，在单一GW源的情况下，如果我们有兴趣最大限度地提高PTA敏感的空间体积，那么在阵列已经最敏感的地方附近找到一颗新的脉冲星会有一点优势。此外，研究表明，更多的观察时间应该专门用于已经低噪音的雷达，以产生最大的积极影响PTA的敏感性。我们在http://gwastro.psu.edu/ptasm上提供了一个基于网络的敏感度映射工具。
2011-01-24 astro-ph.CO gr-qc
Pulsar timing residual induced by ultralight vector dark matter
我们研究质量在$10^{-23}\,\mathrm{eV}$周围的超轻矢量暗物质。在星系尺度上相干振荡的矢量场引起时空度规的振荡，其频率约为nHz，这可以通过脉冲星定时阵列检测到。我们发现矢量暗物质产生的脉冲星定时信号与标量暗物质不同，具有非平凡的角度依赖性，其最大振幅是标量暗物质的3倍。
2020-05-20 astro-ph.CO gr-qc hep-ph
Detection of gravitational waves from the QCD phase transition with pulsar timing arrays
如果宇宙学的QCD相变是强的一级相变，并且持续足够长的时间，它会产生一个引力波的背景，可以通过脉冲星计时实验检测到。我们估计这样的背景的振幅和光谱形状，我们讨论了其可探测性的前景。
2010-08-18 astro-ph.CO astro-ph.GA gr-qc
Observational constraints on light cosmic strings from photometry and pulsar timing
我们约束宇宙弦环的宇宙学密度使用两个观测签名-引力微透镜和凯撒-斯特宾斯效应。来自RXTE和CoRoT空间任务的测光以及来自帕克斯脉冲星定时阵列、阿雷西博和格林班克射电望远镜的脉冲星定时，使我们能够在广泛的张力范围内探测宇宙弦$Gμ/c^2=10^{-16}\div10^{-10}$。我们发现，脉冲星定时数据提供了最严格的限制丰富的光弦在$Ω_s \sim 10^{-3}$的水平。未来的观测设施，如平方公里阵列，将使人们能够改善这些限制的数量级。
2009-11-25 astro-ph.CO astro-ph.IM gr-qc
Pulsar timing residuals due to individual non-evolving gravitational wave sources
非演化双星源引力波引起的脉冲星计时残差受脉冲星和引力波源相对位置的影响。我们将逐一全面分析不同参数的影响。定时残差的标准偏差将使用固定一组其他参数的可变参数来计算。双星源的轨道一般假定为椭圆形。详细研究了不同偏心率对脉冲星计时残差的影响。我们发现，相关参数的影响是相当不同的，其中一些呈现出一定的重叠性。
2014-04-27 astro-ph.CO astro-ph.HE gr-qc
Detecting Chiral Gravitational Wave Background with a Dipole Pulsar Timing Array
National Astronomical Observatories, Chinese Academy of Sciences（中国科学院国家天文台）；Hangzhou Institute for Advanced Study, University of Chinese Academy of Sciences（中国科学院大学杭州高等研究院）；School of Astronomy and Space Science, University of Chinese Academy of Sciences（中国科学院大学天文与空间科学学院）；Institute of Fundamental Physics and Quantum Technology, Ningbo University（宁波大学基础物理与量子技术研究所）；Kavli Institute for the Physics and Mathematics of the Universe (WPI), The University of Tokyo（东京大学宇宙木理论研究所）；Asia Pacific Center for Theoretical Physics（亚太理论物理中心）；Leung Center for Cosmology and Particle Astrophysics, National Taiwan University（台湾大学梁氏宇宙学与粒子天体物理学研究中心）；Yukawa Institute for Theoretical Physics, Kyoto University（京都大学汤川理论物理研究所）
本文提出双极脉冲星定时阵列系统，通过交叉相关信号推导重叠减少函数，发现其对纳赫兹范围的手性引力波背景具有灵敏度，并扩展了引力波背景探测的频率范围。
2026-04-09 astro-ph.CO gr-qc hep-ph
Implication of Pulsar Timing Array Experiments on Cosmological Gravitational Wave Detection
引力波为宇宙提供了一种新的探测手段，它可以揭示许多电磁波无法观测到的宇宙学和天体物理学现象。不同频率的引力波被不同的手段探测到。其中，脉冲星计时的精密测量为光年尺度波长的引力波提供了天然的探测器。本文首先介绍了利用脉冲星定时阵探测随机引力波背景的基本框架，然后对NANOGrav 12.5年观测结果进行了可能的解释。
2021-05-17 astro-ph.CO astro-ph.HE gr-qc
Prospects for Detecting Dark Matter Halo Substructure with Pulsar Timing
现代宇宙学的一个悬而未决的问题是暗物质晕及其子结构的性质和特性。本文研究了暗物质子结构对脉冲星计时观测的引力效应。由于毫秒双星是稳定和精确的发射体，它们被认为是探测暗物质结构引力效应的可行天体物理工具。我们通过夏皮罗时间延迟（或综合萨克斯-沃尔夫（ISW）效应）和多普勒效应统计研究了这种对脉冲星计时的影响，表明后者在信号中占主导地位。对于这项任务，我们将脉冲星频率变化的功率谱与小尺度上的物质功率谱联系起来，我们使用稳定的聚类假设来计算。我们比较这个功率谱与当前和未来的观测脉冲星定时设计的引力波（GW）检测。我们的研究结果表明，虽然目前的观测无法检测到这些信号，但即将到来的平方公里阵列（SKA）的灵敏度仅比我们乐观的预测弱几分之一。
2011-09-16 astro-ph.CO astro-ph.GA hep-ph
Searching for Bispectrum of Stochastic Gravitational Waves with Pulsar Timing Arrays
研究了如何利用脉冲星定时阵探测随机引力波的双谱。双谱是探索随机引力波起源的关键。特别是，双谱的形状携带有价值的信息的膨胀模型。我们表明，一个适当的过滤器功能的三点相关性，使我们能够提取一个特定的配置的动量三角形的双谱。计算了重叠减少函数，讨论了多个双谱的检测策略。
2019-03-05 astro-ph.CO gr-qc hep-ph
Pulsar timing array sensitivity to anisotropies in the gravitational wave background
本研究利用脉冲星计时延迟的全协方差矩阵评估PTA对引力波背景各向异性的灵敏度，发现未来可实现低多极矩百分比级精度，且各向异性与Hellings-Downs角相关性可独立重建。
2024-08-30 astro-ph.CO astro-ph.HE gr-qc
Pulsar Timing Residual induced by Wideband Ultralight Dark Matter with Spin 0, 1, 2
超轻暗物质在$10^{-23}$ eV附近质量区域的相干振荡引起引力势的变化，频率在纳赫兹范围内。已知这种效应会在脉冲星计时残差中产生单色信号。在这里，我们讨论了一个多场的情况下，产生一个宽频谱的频率，这样的超轻粒子振荡可以模仿脉冲星定时信号的随机共谱过程。我们讨论了具有不同自旋的超轻暗物质如何在脉冲星定时残差上产生如此宽的谱带，并进行了贝叶斯分析来约束参数。事实证明，NANOGrav探测到的随机背景可以与宽带超轻暗物质相关联。
2022-08-25 astro-ph.CO gr-qc hep-ph
Pulsar timing arrays as imaging gravitational wave telescopes: angular resolution and source (de)confusion
脉冲星定时阵列（PTA）将对有限数量的引力波（GW）“点”源（例如超大质量黑洞双星）敏感。N个具有精确已知距离d_{pulsar}的安静谱标可以表征每个频率点上2N/7个远距离啁啾源Δ f_{gw} =1/T，并以“衍射极限”精度δθ \gtrsim（1/SNR）（λ_{gw}/ d_{pulsar}）对它们进行定位。即使脉冲星距离知之甚少，具有F个频率仓的PTA仍然可以表征每个仓的（2N/7）[1-（1/2F）]个源，并且GW源附近的定时残差的准奇异模式仍然允许源在天空上围绕它的安静的脉冲星的大致最小四边形内准拓扑地定位，下至极限分辨率δθ \gtrsim（1/SNR）\sqrt{λ_{gw}/d_{pulsar}}。即使在最低频率下，PTA也不会混淆，匹配滤波总是合适的。
2013-03-12 astro-ph.CO astro-ph.GA astro-ph.HE
Astrophysical neutrino oscillations after pulsar timing array analyses
本文研究脉冲星计时阵列合作组报告的引力波背景对中微子味振荡的影响，并探讨近未来中微子探测器如何揭示这些效应以帮助区分nHz以下的不同引力波背景模型。
2023-12-11 astro-ph.CO astro-ph.GA astro-ph.HE
