Observational tests of fundamental physics from gravitational wave detections
Creators: name: Westerweck, Julian
Publisher: name: Hannover : Institutionelles Repositorium der Leibniz Universität Hannover
Year: 2023
Subjects: subject: gravitational waves
subject: black holes
subject: tests of gravity theory
subject: data analysis
subject: Gravitationswellen
subject: Schwarze Löcher
subject: Gravitationstheorie-Tests
subject: Datenanalyse
subject: Dewey Decimal Classification::500 | Naturwissenschaften::530 | Physik

description: With the detection of the signal GW150914 from the collision of two black holes in 2015, observational gravitational wave physics has begun. Many more signals have since been recorded, and new detections are now becoming routine. These observations offer a new window to probe fundamental physics in thus far inaccessible regimes of strong gravity, such as in the regions near black hole horizons. The work presented here pursues this through two approaches, studying predicted signals of either black holes of general relativity, or of proposed alternative objects without horizons. A binary black hole collision creates a single perturbed black hole, which settles to its final state through the ringdown gravitational wave emission. The ringdown consists of a spectrum of modes, which the no-hair theorem in General Relativity predicts to be determined entirely by the black hole mass and angular momentum. Measurement of multiple modes allows to test this prediction but is challenging due to the weak and short-lived nature of the ringdown signal. Two studies are presented on the feasibility of such tests using current and near-future de- tector sensitivities. Large populations of simulated ringdown signals are constructed based on observational models of the binary black hole population. Bayesian parameter estimation techniques are applied to these signals to place bounds on deviations from the no-hair prediction. Detections leading to stringent bounds are unlikely to occur for current instruments but can be found during a few years of operation at their planned future sensitivities. The prospects improve when extending the analysis to combine data from multiple detections into a single bound on deviations. At the sensitivity planned for the next observation run of current instruments, the detections from one year of data can be combined into stringent bounds. Solutions are provided to limitations uncovered for this type of study. In a further study, strong evidence is found for the presence of a subdominant mode in the data of the event GW190521. A new method is employed to allow the analysis of only the ringdown part of the signal, without contamination from outside the analysis window and preventing windowing artefacts and signal loss. Tests of the no-hair theorem are performed, yielding unexpectedly tight constraints on deviations. Two phenomenologically distinct signals from horizonless compact objects are studied, both following after the primary signal which is otherwise unchanged compared to that of a black hole binary. One takes the form of repeated pulses after the ringdown, called gravitational wave echoes, while the other consists of a very long-lived damped sinusoid with a small amplitude. Using a simplified waveform model for echoes, evidence for such signals in the data of several detections is evaluated. Previous results from the first search for these are replicated, and the methods tested thoroughly. Through improved estimation methods, low statistical significance is established for these results, yet the presence of such signals cannot be ruled out by the analysis. An independent Bayesian analysis is performed for the same waveform model, with results for each event either preferring the absence of echoes in the data or being consistent with it. Bounds on the echo amplitudes ruled out by the data are produced. The long-lived mode signal for a broad class of horizonless objects is considered in a Bayesian analysis. Methods are developed to accommodate the long duration of the signal, and their performance is tested with simulated signals and off-source data. They are then applied to the data of the event GW150914, yielding stringent bounds on the deviations from the Kerr geometry exhibited by such objects.
description: Mit der Detektion des Signals GW150914 von der Kollision zweier schwarzer Löcher im Jahr 2015 begann die beobachtungsbasierte Gravitationswellenphysik. Viele weitere Signale wurden seither aufgezeichnet und neue Detektionen werden zur Routine. Diese Beobachtungen eröffnen einen neuen Weg, fundamentale Physik im bisher unzugänglichen Regime starker Gravitation zu untersuchen, zum Beispiel in der Umgebung der Horizonte schwarzer Löcher. Die hier präsentierten Studien verfolgen dies durch zwei Ansätze, indem sie entweder die vorhergesagten Signale schwarzer Löcher in der Allgemeinen Relativitätstheorie oder vorgeschlagener alternativer Objekte ohne Horizonte untersuchen. Die Kollision zweier schwarzer Löcher erzeugt ein einzelnes gestörtes schwarzes Loch, welches durch Emission der Abkling-Gravitationswellen schließlich in einen ungestörten Zustand übergeht. Die Abkling-Strahlung besteht aus einem Spektrum von Moden, welche dem Keine- Haare-Theorem der Allgemeinen Relativitätstheorie nach gänzlich durch Masse und Drehimpuls des schwarzen Loches bestimmt werden. Die Messung mehrerer Moden ermöglicht die Prüfung dieser Vorhersage, ist jedoch wegen des schwachen und kurzlebigen Abklingsignals schwierig. Zwei Studien zur Durchführbarkeit solcher Tests mithilfe aktuell und in naher Zukunft verfügbarer Detektor-Empfindlichkeiten werden dargelegt. Große Populationen simulierter Abklingsignale werden konstruiert, basierend auf beobachtungsgestützten Modellen der Population von Binärsystemen schwarzer Löcher. Bayessche Parameterabschätzung wird auf diese Signale angewendet, um Abweichungen von der Keine-Haare-Vorhersage zu beschränken. Detektionen, die zu strikter Begrenzung führen, sind mit aktuellen Instrumenten unwahrscheinlich, können aber innerhalb weniger Jahre des Betriebs mit ihren geplanten zukünftigen Empfindlichkeiten erreicht werden. Diese Aussichten verbessern sich, wenn Daten mehrerer Detektionen in der Begrenzung kombiniert werden. Mit der geplanten Empfindlichkeit aktueller Instrumente im nächsten Beobachtungslauf können die in einem Jahr gesammelten Daten zu strikten Begrenzungen kombiniert werden. Lösungen für die entdeckten Limitationen dieser Art Analyse werden vorgestellt. In einer weiteren Studie wird starke Evidenz für die Existenz einer subdominanten Mode in den Daten des Signals GW190521 gefunden. Eine neue Methode wird eingesetzt, welche die Analyse des Abkling-Signals ermöglicht, ohne Kontamination von außerhalb des Analyse- Fensters, Artefakte oder Signalverlust zu verursachen. Tests des Keine-Haare-Theorems werden durchgeführt und liefern unerwartet strikte Beschränkungen für Abweichungen. Zwei phänomenologisch verschiedene Signale horizontfreier kompakter Objekte werden untersucht. Beide folgen dem Primärsignal, das ansonsten gegenüber dem schwarzer Löcher un- verändert ist. Eines besteht aus wiederholten Pulsen, als Gravitationswellen-Echos bezeichnet, während das zweite die Form einer langlebigen, gedämpften Sinuswelle geringer Amplitude hat. Anhand eines vereinfachten Modells der Echo-Wellenform wird die Evidenz solcher Signale in den Daten mehrerer Detektionen bewertet. Frühere Ergebnisse der ersten Suche nach Echos werden repliziert und die Methoden ausführlich geprüft. Durch verbesserte Abschätzungsmethoden wird eine geringe statistische Signifikanz der Ergebnisse etabliert, allerdings kann die Anwesenheit solcher Signale nicht durch diese Untersuchung ausgeschlossen werden. Eine unabhängige Bayessche Analyse wird mit derselben Wellenform durchgeführt, wobei die Ergebnisse die Abwesenheit des Signals bevorzugen oder mit Rauschen vereinbar sind. Grenzen für die von den Daten ausgeschlossenen Amplituden der Echos werden gefunden. Das Signal einer langlebigen Mode von einer großen Klasse horizontfreier Objekte wird in einer Bayesschen Analyse betrachtet. Methoden werden entwickelt, um die lange Dauer des Signals handhaben zu können, und ihre Leistungsfähigkeit wird an simulierten Signalen und signalfreien Daten getestet. Auf die Daten des Signals GW150914 angewendet, liefern sie strikte Beschränkungen für die Abweichungen solcher Objekte von der Kerr-Geometrie.