Targeted searches for continuous gravitational waves

Abstract

Gravitational waves are a consequence of Albert Einstein’s General theory of relativity, which he put forward in 1916. One hundred years later, in 2015, a gravitational wave signal from two merging black holes was detected by the Advanced LIGO detectors. Now, the Advanced LIGO detectors have recorded about a hundred such signals from the merging of compact objects in binary systems. Rotating neutron stars with a non-axisymmetric distribution of their mass present a perfect candidate for emitting gravitational waves continuously. Such continuous gravitational waves are several orders of magnitude weaker than those emitted by merging binary systems. Not surprisingly, these continuous gravitational wave signals have not yet been detected in the Advanced LIGO data. Efforts to make a detection of such a signal are going on. This thesis presents such a search for continuous gravitational waves. Pulsars are neutron stars from which electromagnetic emissions have been observed, most commonly in the radio wavelength. These observations provide useful information about the neutron star, including its location in the sky and spin parameters. With this knowledge, we search for the continuous gravitational wave from that specific neutron star – thus targeting a source. Such targeted searches probe a small region of the signal parameter space and hence can afford a fully coherent search in data from all observations of the detectors. This makes targeted searches the most sensitive search strategy. In this thesis, we present two different methods to search for continuous gravitational wave signals from pulsars. Using these methods, we target newly discovered, fast-spinning pulsars, a majority of them in binary systems. These pulsars have been targeted for continuous gravitational wave emission for the first time in this work. We do not detect a continuous gravitational wave signal from any of the targets. The non-detection of a signal can be translated into constraints on the mass distortions of the pulsar, parameterized by its ‘ellipticity’. Our constraints on the ellipticities of these pulsars, using data from all the observation runs of Advanced LIGO detectors, are some of the lowest and lie in the regime of astrophysically interesting values for the parameter.

Gravitationswellen sind eine direkte Konsequenz der 1916 von Albert Einstein aufge- stellten Allgemeinen Relativitätstheorie. Hundert Jahre später, im Jahr 2015, wurde ein Gravitationswellensignal von zwei verschmelzenden schwarzen Löchern von den Advanced LIGO-Detektoren detektiert. Inzwischen haben die Detektoren etwa hundert solcher Signale von verschmelzenden kompakten Doppelsternen aufgezeichnet. Rotierende Neutronensterne sind aufgrund der nicht achsensymmetrischen Vertei- lung ihrer Masse ein perfekter Kandidat für die kontinuierliche Ausstrahlung von Gravitationswellen. Solche kontinuierlichen Gravitationswellen sind um mehrere Grö- ßenordnungen schwächer als die, die von verschmelzenden Doppelsternsystemen ausgestrahlt werden. Es überrascht deshalb nicht, dass diese kontinuierlichen Gravitati- onswellensignale noch nicht detektiert wurden. Die Bemühungen um den Nachweis eines solchen Signals sind jedoch im Gange. Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der Suche nach kontinuierlichen Gravitationswellen. Pulsare sind Neutronensterne, die im elektromagnetischen Bereich, meist als Radio- wellen, beobachtet werden. Diese Beobachtungen liefern nützliche Informationen über den Neutronenstern, einschließlich seiner Position am Himmel und seiner Spinpara- meter. Die Informationen können genutzt werden, um gezielt nach der kontinuierli- chen Gravitationswelle eines bestimmten Neutronensterns zu suchen. Solche gezielten Suchen untersuchen lediglich einen kleinen Bereich des Signalparameterraums und ermöglichen dadurch eine vollständig kohärente Suche in allen Daten der Detektoren. Dies macht die gezielte Suche zur empfindlichsten Suchstrategie. Zwei verschiedene Methoden zur Suche nach kontinuierlichen Gravitationswellen- signalen von Pulsaren werden in dieser Arbeit vorgestellt. Sie zielen auf neu entdeckte, schnell drehende Pulsare ab, von denen sich die meisten in Doppelsternsystemen befinden. Diese Pulsare wurden im Rahmen dieser Arbeit zum ersten Mal auf konti- nuierliche Gravitationswellenemission untersucht. Wir konnten von keinem der Ziele ein kontinuierliches Gravitationswellensignal nachweisen. Die Nichtentdeckung eines Signals kann in Grenzwerte der Deformation eines Pulsars übersetzt werden, die durch seine ‘Elliptizität’ bestimmt wird. Unsere Grenzwerte für die Elliptizität dieser Pulsare, die aus Daten aller Beobachtungsreihen der LIGO-Detektoren gewonnen wurden, gehö- ren zu den niedrigsten bisher ermittelten und liegen im Bereich der astrophysikalisch interessanten Werte für diesen Parameter.