Improved post-processing in searches for continuous gravitational waves and a model for transient continuous gravitational wave emission from neutron star glitches
Creators: name: Singh, Avneet
Publisher: name: Hannover : Institutionelles Repositorium der Leibniz Universität Hannover
Year: 2018
Subjects: subject: Gravitational waves
subject: Continuous gravitational waves
subject: neutron stars
subject: Fluid dynamics
subject: Equation of state
subject: LIGO
subject: Data analysis
subject: Algorithms
subject: Topology
subject: Gravitationswellen
subject: kontinuierliche Gravitationswellen
subject: Neutronensterne
subject: Fluiddynamik
subject: Zustandsgleichung
subject: Einstein@Home
subject: Datenanalyse
subject: Algorithmen
subject: Topologie
subject: Dewey Decimal Classification::500 | Naturwissenschaften::530 | Physik

description: (english) Gravitational waves (GW) are tiny oscillations in the fabric of space-time, first hypothesised within the framework of Einstein’s General theory of Relativity (GR) a little more than 100 years ago. The first direct detection of gravitational waves (GW150914) was made on Sept. 14, 2015 by the two LIGO detectors in Hanford and Livingston. In this path-breaking discovery, the first GW observation revealed a coalescence of two black holes in a binary orbit. Besides compact binary systems, isolated rotating neutron stars with physical asymmetries are also expected to emit GW; in this case, the emission is in the form of long lasting nearly monochromatic continuous gravitational waves (CW). In addition to these standard CW, transient-continuous gravitational waves (tCW) are another subset within the category of CW, characterised by their relatively shorter duration timescales. CW and tCW are considered to bear an important and direct association with the internal dynamics of neutron stars, such as their elusive equations of state. Unfortunately, no direct detections of CW have yet been made despite their enormous importance to astrophysics and astronomy. This thesis encompasses several aspects of the science surrounding CW and tCW, such as the source-modeling and the emission mechanisms for tCW, searches for CW, and improvements to the post-processing methods in the deepest searches for CW. In source-modeling, we address the dynamics during the post-glitch relaxation phase of a neutron star and estimate the extent of tCW emission expected to occur via the process of Ekman pumping. We explore multiple GW emission channels, and compare the physical expectation with the current and future detection capabilities of the LIGO detectors. This thesis details the first high-frequency search in LIGO’s fifth science run data, which is one of the very few CW searches targeting the high-frequency bandwidth of the LIGO spectrum. We report no detection and quote the strictest upper-limits from the fifth science run. We also present a new clustering algorithm aimed at reducing the computational cost of hierarchical multi-stage follow-up search schemes. This new procedure adaptively analyses the topology of the data and offers a novel way to cluster contrasting densities of candidates from broad parameter space grid-based searches. This allows us to lower the threshold and gain sensitivity when operating at a fixed computing budget. Lastly, we describe the procedure for setting the upper-limits on the continuous gravitational wave amplitudes in the latest CW searches on the Einstein@Home volunteer distributed computing project. This procedure is robust in its implementation and details the uncertainty measurement in the final upper-limit statements quoted by the respective searches.
description: (deutsch) Gravitationswellen (GW) sind winzige Schwingungen in der Struktur der Raumzeit und wurden erstmals vor etwas mehr als 100 Jahren im Rahmen der Einstein’schen Allgemeinen Relativitätstheorie vorhergesagt. Der erste direkte Nachweis von Gravitationswellen (GW150914) gelang am 14. September 2015 durch die zwei LIGO-Detektoren in Hanford und Livingston. In dieser bahnbrechenden Entdeckung enthüllte die erste Beobachtung von Gravitationswellen eine Verschmelzung zweier einander umkreisender schwarzer Löcher. Abgesehen von kompakten Binärsystemen wird auch von isoliert rotierenden Neutronensternen mit physischer Asymmetrie erwartet, dass diese GW emittieren. In diesem Fall wird die Emission in Form lang anhaltender, fast monochromatischer und kontinuierlicher Gravitationswellen (CW) vorhergesagt. Zusätzlich zu diesen Standard-CW sind flüchtig-kontinuierliche Gravitationswellen (tCW) eine weitere Unterklasse der Klasse der CW und werden charakterisiert durch ihre vergleichsweise kürzere Lebensdauer. CW und tCW werden als wichtige und direkte Verbindung zur internen Dynamik der Neutronensterne wie der schwer fassbaren Zustandsgleichung angesehen. Unglücklicherweise ist bisher trotz der enormen Bedeutung für die Astrophysik und Astronomie noch keine direkte Entdeckung einer CW gelungen. Diese Arbeit umfasst mehrere Aspekte der Wissenschaft um CW and tCW wie die Modellbildung von Quellen und die Emissionsmechanismen von tCW, sowie Suchen nach CW und Verbesserungen der Nachbereitungsmethoden in den empfindlichsten Suchen nach CW. Bei der Modellbildung von Quellen befassen wir uns mit der Dynamik während der Post-Glitch-Erholungsphase eines Neutronensterns und schätzen den Umfang der zu erwartenden tCW-Emission ab, die im Verlauf des Ekman-Pumpens auftritt. Wir untersuchen zahlreiche GW-Emissionskanäle und vergleichen die physikalischen Erwartungen mit dem gegenwärtigen und zukünftigen Nachweisvermögen der LIGO-Detektoren. Diese Arbeit beschreibt detailliert die erste Hochfrequenz-Suche in den Daten von LIGOs fünftem Beobachtungslauf, welche eine unter sehr wenigen CW-Suchen ist, die auf das Hochfrequenz-Band des LIGO-Spektrums ausgerichtet ist. Wir haben keinen Nachweis erzielt und geben die strengsten Obergrenzen für den fünften Beobachtungslauf an. Auβerdem präsentieren wir einen neuen Gruppierungsalgorithmus, der darauf abzielt Rechenkosten der hierarchischen, mehrstufigen Methoden der Nachbearbeitung zu reduzieren. Dieses neue Verfahren analysiert die Topologie der Daten adaptiv und ermöglicht es sich abhebende Dichten von Kandidaten zu gruppieren, die aus Gitter-basierten Suchen über weite Parameterräume resultieren. Dies erlaubt es uns bei vorgegebenen Rechenkosten die Obergrenzen zu senken und empfindlicher zu werden. Schlieβlich beschreiben wir das Verfahren zur Festlegung von Höchstgrenzen für die Amplituden der CW in den aktuellsten CW-Suchen auf dem verteilten freiwilligen Rechenprojekt Einstein@Home. Das Verfahren ist stabil implementiert und beschreibt die Unsicherheitsmessung in den abschlieβenden Angaben von Höchstgrenzen, die von den jeweiligen Suchen zitiert werden.