title: Lensing of Gravitational Waves: Novel Phenomenology and Applications in the Strong and Weak Regimes
Creators: name: Savastano, Stefano
Publisher: name: Humboldt-Universität zu Berlin
Year: 2024
Subjects: subject: Gravitationswellen
subject: Gravitationslinseneffekt
subject: Dunkle Materie
subject: Galaktisches Zentrum
subject: Kosmologie
subject: Gravitational Waves
subject: Lensing
subject: Dark Matter
subject: Galactic Center
subject: Cosmology
subject: 530 Physik

description: Gravitationslinsen bewirken Ablenkung, Verzögerung und Verzerrung von Signalen im Universum. Jedes Signal wird mindestens schwach durch Gravitationsfelder gelinset, und bei starker Linsenbildung entstehen mehrere Bilder, wenn Quelle und Linse genau ausgerichtet sind. Die Beobachtung von Linsen bei elektromagnetischen Quellen ermöglicht Einblicke in die Materieverteilung von Galaxien bis hin zu Sternen. Linsenbildung ist entscheidend für die Interpretation astronomischer Daten und hat Anwendungen in Astrophysik, Kosmologie und fundamentaler Physik. Mit Fortschritten in der Gravitationswellen-(GW)-Astronomie erlangt GW-Linsenbildung Aufmerksamkeit. Ihre niedrige Frequenz und Phasenkohärenz ergänzen elektromagnetische Beobachtungen und eröffnen neue Phänomene. Diese Arbeit erforscht GW-Linsenbildung in schwachen und starken Regimen und mögliche Anwendungen. In der starken Linsenbildung untersuchen wir kontinuierliche Wellen von rotierenden Neutronensternen (NS), die durch Sgr A*, das zentrale Schwarze Loch der Milchstraße, gelinset werden. Wir zeigen, dass sich Linsenparameter jenseits des Einstein-Radius rekonstruieren lassen. Unter günstigen Annahmen könnten NSs, die von Sgr A* gelinset werden, von künftigen Detektoren beobachtet werden und Einblicke ins galaktische Zentrum bieten. Der zweite Teil untersucht Wellenoptik-Effekte im schwachen Linsenregime, entwickelt Methoden zur Lösung des Beugungsintegrals und wendet diese auf spezifische Linsenmodelle an. Künftige Detektoren wie LISA könnten diese Effekte auch bei großen Linsen-Quellen-Abständen erkennen. Mithilfe realistischer Modelle von dunkler und baryonischer Materie schätzen wir, dass LISA Signaturen von Galaxien, supermassereichen Schwarzen Löchern und dunklen Materiehalos erkennen könnte. Diese Arbeit ebnet den Weg für künftige Entdeckungen in der GW-Linsenbildung und unterstreicht ihr Potenzial, die Astrophysik und Kosmologie zu bereichern.
description: Gravitational lensing causes deflection, delay, and distortion of signals in the universe. Every signal is at least weakly lensed by gravitational fields, and strong lensing creates multiple images when the source and lens are precisely aligned. Observing lensing from electromagnetic sources provides insights into the distribution of matter, from galaxies to stars. Lensing is crucial for interpreting astronomical data and has applications in astrophysics, cosmology, and fundamental physics. With advances in gravitational wave (GW) astronomy, GW lensing has gained interest. Their low frequency and phase coherence complement electromagnetic observations and reveal new phenomena. This work explores GW lensing in weak and strong regimes and potential applications. In strong lensing, we investigate continuous waves from rotating neutron stars (NS) lensed by Sgr A*, the central black hole of the Milky Way. We show that lensing parameters beyond the Einstein radius can be reconstructed. Under favorable assumptions, NSs lensed by Sgr A* could be observed by future detectors, providing insights into the galactic center. The second part examines wave-optics effects in the weak lensing regime, developing methods to solve the diffraction integral and applying them to specific lens models. Future detectors like LISA could detect these effects even at large lens-source separations. Using realistic models of dark and baryonic matter, we estimate that LISA may detect signatures of galaxies, supermassive black holes, and dark matter halos. This work paves the way for future discoveries in GW lensing and highlights its potential to advance astrophysics and cosmology.