Optimal directed searches for continuous gravitational waves

Abstract

Am 14. September 2015 hat LIGO, das Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory, zum ersten Mal Gravitationswellen (GW) nachgewiesen. GW sind eine der bedeutendsten Vorhersagen von Einsteins Allgemeiner Relativitätstheorie. Dieses erste GW-Ereignis, GW150914, war die katastrophale Verschmelzung zweier Schwarzer Löcher stellarer Masse, aus den Tiefen des Universums. Seitdem steht ein neues Fenster auf das Universum offen. Seit GW150914 wurden GW mehrerer anderer binärer Schwarzer Löcher beobachtet, während kontinuierliche GW (CW, für Continuous gravitational Waves) von schnell rotierenden kompakten Objekten noch nicht nachgewiesen werden konnten. Es wird erwartet, dass CW, im Vergleich zu den Verschmelzungen von Binärsystemen, schwchere Gravitationswellen sind. Um diese kontinuierlichen, aber schwachen GW nachzuweisen, bedarf es einer langen Beobachtungzeit und oft auch einer riesigen Rechenleistung. Die Detektion eines CW-Signals könnte davon abhängen, wie intelligent wir unsere verfügbare Rechenleistung investieren. Im ersten Teil dieser Arbeit schlage ich eine Optimierungsmethode für gelenkte Suchen vor, die für eine gegebene Rechenleistung ermittelt, welche Quellen und welche Wellenformen anvisiert werden sollten und wie die Suche zu konfigurieren ist. Diese Methode wählt die Ziele und Suchparameter so aus, dass die Wahrscheinlichkeit einer Detektion maximiert wird. Wichtige Eingaben dieser Methode sind die Vorabannahmen für dieWellenformen eines gegebenen Ziels. Diese Annahmen werden in die Optimierungsmethode integriert und mit einigen weiteren Faktoren kombiniert: so etwa die frequenzabh ängige Messgenauigkeit der Detektoren, die von der Frequenzänderung der Quelle abhängigen Rechenkosten der Suche sowie die maximal erwartete Amplitude. Beispielsweise ist eine unserer Erkenntnisse, dass Vela Jr. ein vielversprechenderes Ziel ist als Cas A. Dabei hat LIGO bisher noch keine einzige Suche für CWs mit Vela Jr. als spezifischem Ziel veröffentlicht. Im zweiten Teil dieser Arbeit wird die Optimierungsmethode auf die Vorbereitung einer gelenkten Suche angewendet. Diese wurde dann zwischen Dezember 2016 und April 2017 mit dem Freiwilligen-Projekt für verteiltes Rechnen Einstein@Home (E@H) durchgeführt. Vier Monate an Daten aus der ersten Beobachtungskampagne (O1) von Advanced LIGO wurden genutzt, um 3 punktförmige Quellen anzuvisieren: Vela Jr., Cas A und G347.3. Dies ist die erste tiefe Suche über einen weiten Frequenzbereich mit Cas A als Ziel und Advanced-LIGO-Daten sowie die erste Suche überhaupt mit Vela Jr. und G347.3 als Zielen. Zur Gestaltung dieser Suche gehören nichttrivale Neuheiten im Vergleich zur allgemeinen Optimierungsmethode im ersten Teil. Ich erwarte gespannt die Auswertung der Ergebnisse aus dieser Suche. Im dritten Teil wird die Optimierungsmethode für die Vorbereitung einer weiteren Suche nach CW-Signalen von einzelnen unbekannten Neutronensternen im Galaktischen Zentrum (GZ) angewendet, ebenfalls mit O1-Daten. Das GZ wird als Heimat vieler kompakter Objekte angesehen, und die 2$\times$ 2 pc^2 rund um Sgr A* sind besonders dicht mit Neutronensternen bevölkert und besonders interessant für uns. Das Neue an diesem Fall ist, dass wir zwei weitere Suchdimensionen einführen müssen, die Himmelskoordinaten. Die Suche läuft derzeit auf Einstein@Home und wir erwarten, dass sie im November 2017 endet.

On 14 September, 2015, gravitational waves (GWs) were detected for the first time ever by the Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO) detectors. GWs are one of the most important predictions of Einstein’s theory of General Relativity. This particular GW event, GW150914, was a catastrophic merger of two stellar-mass black holes from the depths of the Universe. Since then, a new window on the Universe has been open. Following GW150914, GWs from several other binary black hole mergers were observed. Con- tinuous gravitational waves (CWs) from rapidly rotating compact star have also been predicted, but to date these signals have not been observed. CWs are expected to be weaker gravitational waves compared with binary black hole mergers. In order to detect these continuous but weak GWs, a long observation time is needed and a huge amount of computing power is often required. The detection of a continuous gravitational wave signal might depend on how intelligently we invest the computing power that we have available. In the first work of this thesis, I propose an optimisation method for directed searches that deter- mines what sources and what waveforms to target as well as the search set-up, given a fixed compu- tational cost. This method picks the target and search parameters so that the probability of making a detection is maximized. Important inputs to this method are the priors that are assumed for the waveforms from a given target. These priors are folded in to the optimisation scheme and are con- volved with a number of other factors, such as the frequency-dependent sensitivity of the detectors, the spindown-dependent cost of the search, and the maximum expected amplitude. One of our findings is that Vela Jr is a more promising target than Cas A. However, up until now, far more computing power has been spend on the searches for CWs from Cas A than the search for CWs from Vela Jr. In the second work of this thesis, this optimisation method is applied in order to set up a directed search. This search was performed by the volunteer distributed computing project Einstein@Home (E@H) between December, 2016 and April, 2017. Four months of data from the first Advanced LIGO observation run (O1) were used and 3 point sources were targeted: Vela Jr, Cas A and G347.3. This search is the first deep and broad frequency range search for Cas A using the Advanced LIGO data and the first search for Vela Jr and G347.3 ever performed. The design of this search includes non- trivial new features with respect to the conceptual optimisation scheme proposed in the first work. I am looking forward to analysing the results from this search. In the third work of this thesis, this optimisation method is used to set up a search for CW signals from isolated, unknown neutron stars at the Galactic Centre (GC) using O1 data. The GC is thought to harbour many compact objects and the 2\times2 pc^2 centred at Sgr A* is particularly dense in neutron stars and interesting to us. The novelty in this design is having to introduce two further search dimensions, the sky coordinates. This search is currently being performed on Einstein@Home and is expected to end in November, 2017.