Поиск изотропного фона гравитационных волн с помощью парксской системы синхронизации пульсаров

Системы синхронизации пульсаров предназначены для обнаружения гравитационных волн (ГВ) наногерцевых частот. Фон ГВ модулирует моменты прихода импульсов от пульсаров и проявляется как стохастический процесс, общий для всех пульсаров, с характерной пространственной корреляцией. Здесь мы описываем поиск изотропного стохастического фона гравитационных волн (ФГВ) с использованием наблюдений 30 миллисекундных пульсаров из третьего выпуска данных Parkes Pulsar Timing Array (PPTA), охватывающего 18 лет. С помощью современных методов байесовского вывода мы выявляем и характеризуем шумовой процесс с общим спектром. Представляя его в виде спектра деформаций h_c = A(f/1 yr⁻¹)^α, мы измеряем A = 3,1⁺¹,³₋₀,⁹ × 10⁻¹⁵ и α = −0,45 ± 0,20 соответственно (медиана и 68%-ный достоверный интервал). Для спектрального индекса α = −2/3, соответствующего изотропному фону ГВ, излучаемых сближающимися сверхмассивными двойными чёрными дырами, мы получаем амплитуду A = 2,04⁺⁰,²⁵₋₀,²² × 10⁻¹⁵. Однако мы показываем, что наблюдаемая сила сигнала зависит от времени: по первой половине набора данных можно установить верхний предел для A, находящийся в противоречии с оценённой амплитудой общего спектра, полученной по полному набору данных. Мы исследуем пространственные корреляции в наблюдениях посредством иерархического анализа отдельных пар пульсаров, что также позволяет проверить статистическую значимость путём рандомизации положений пульсаров на небесной сфере. Для процесса с α = −2/3 мы измеряем пространственные корреляции, согласующиеся с ФГВ; оценённая вероятность ложного срабатывания составляет p ≲ 0,02 (примерно 2σ). Большая продолжительность рядов синхронизации PPTA и возможность наблюдать южные пульсары будут и далее играть важную роль в Международной системе синхронизации пульсаров.