Bridging the gap between post-Newtonian theory and numerical relativity in gravitational-wave data analysis

Die Verbindung von post-Newtonscher Theorie und Numerischer Relativitätstheorie in der Gravitationswellenanalyse

  • One of the most exciting predictions of Einstein's theory of gravitation that have not yet been proven experimentally by a direct detection are gravitational waves. These are tiny distortions of the spacetime itself, and a world-wide effort to directly measure them for the first time with a network of large-scale laser interferometers is currently ongoing and expected to provide positive results within this decade. One potential source of measurable gravitational waves is the inspiral and merger of two compact objects, such as binary black holes. Successfully finding their signature in the noise-dominated data of the detectors crucially relies on accurate predictions of what we are looking for. In this thesis, we present a detailed study of how the most complete waveform templates can be constructed by combining the results from (A) analytical expansions within the post-Newtonian framework and (B) numerical simulations of the full relativistic dynamics. We analyze various strategies to construct complete hybrid waveforms that consist One of the most exciting predictions of Einstein's theory of gravitation that have not yet been proven experimentally by a direct detection are gravitational waves. These are tiny distortions of the spacetime itself, and a world-wide effort to directly measure them for the first time with a network of large-scale laser interferometers is currently ongoing and expected to provide positive results within this decade. One potential source of measurable gravitational waves is the inspiral and merger of two compact objects, such as binary black holes. Successfully finding their signature in the noise-dominated data of the detectors crucially relies on accurate predictions of what we are looking for. In this thesis, we present a detailed study of how the most complete waveform templates can be constructed by combining the results from (A) analytical expansions within the post-Newtonian framework and (B) numerical simulations of the full relativistic dynamics. We analyze various strategies to construct complete hybrid waveforms that consist of a post-Newtonian inspiral part matched to numerical-relativity data. We elaborate on exsisting approaches for nonspinning systems by extending the accessible parameter space and introducing an alternative scheme based in the Fourier domain. Our methods can now be readily applied to multiple spherical-harmonic modes and precessing systems. In addition to that, we analyze in detail the accuracy of hybrid waveforms with the goal to quantify how numerous sources of error in the approximation techniques affect the application of such templates in real gravitational-wave searches. This is of major importance for the future construction of improved models, but also for the correct interpretation of gravitational-wave observations that are made utilizing any complete waveform family. In particular, we comprehensively discuss how long the numerical-relativity contribution to the signal has to be in order to make the resulting hybrids accurate enough, and for currently feasible simulation lengths we assess the physics one can potentially do with template-based searches.show moreshow less
  • Eine der aufregendsten Vorhersagen aus Einsteins Gravitationstheorie, die bisher noch nicht direkt durch ein Experiment nachgewiesen werden konnten, sind Gravitationswellen. Dies sind winzige Verzerrungen der Raumzeit selbst, und es wird erwartet, dass das aktuelle Netzwerk von groß angelegten Laserinterferometern im kommenden Jahrzehnt die erste direkte Gravitationswellenmessung realisieren kann. Eine potentielle Quelle von messbaren Gravitationswellen ist das Einspiralen und Verschmelzen zweier kompakter Objekte, wie z.B. ein Binärsystem von Schwarzen Löchern. Die erfolgreiche Identifizierung ihrer charakteristischen Signatur im Rausch-dominierten Datenstrom der Detektoren hängt allerdings entscheidend von genauen Vorhersagen ab, was wir eigentlich suchen. In dieser Arbeit wird detailliert untersucht, wie die komplettesten Wellenformenmodelle konstruiert werden können, indem die Ergebnisse von (A) analytischen Entwicklungen im post-Newtonschen Verfahren und (B) numerische Simulationen der voll-relativistischen Bewegungen verknüpft wEine der aufregendsten Vorhersagen aus Einsteins Gravitationstheorie, die bisher noch nicht direkt durch ein Experiment nachgewiesen werden konnten, sind Gravitationswellen. Dies sind winzige Verzerrungen der Raumzeit selbst, und es wird erwartet, dass das aktuelle Netzwerk von groß angelegten Laserinterferometern im kommenden Jahrzehnt die erste direkte Gravitationswellenmessung realisieren kann. Eine potentielle Quelle von messbaren Gravitationswellen ist das Einspiralen und Verschmelzen zweier kompakter Objekte, wie z.B. ein Binärsystem von Schwarzen Löchern. Die erfolgreiche Identifizierung ihrer charakteristischen Signatur im Rausch-dominierten Datenstrom der Detektoren hängt allerdings entscheidend von genauen Vorhersagen ab, was wir eigentlich suchen. In dieser Arbeit wird detailliert untersucht, wie die komplettesten Wellenformenmodelle konstruiert werden können, indem die Ergebnisse von (A) analytischen Entwicklungen im post-Newtonschen Verfahren und (B) numerische Simulationen der voll-relativistischen Bewegungen verknüpft werden. Es werden verschiedene Verfahren zur Erstellung solcher "hybriden Wellenformen", bei denen der post-Newtonsche Teil mit numerischen Daten vervollständigt wird, analysiert. Existierende Strategien für nicht-rotierende Systeme werden vertieft und der beschriebene Parameterraum erweitert. Des Weiteren wird eine Alternative im Fourierraum eingeführt. Die entwickelten Methoden können nun auf multiple sphärisch-harmonische Moden und präzedierende Systeme angewandt werden. Zusätzlich wird die Genauigkeit der hybriden Wellenformen mit dem Ziel analysiert, den Einfluss verschiedener Fehlerquellen in den Näherungstechniken zu quantifizieren und die resultierenden Einschränkungen bei realen Anwendungen abzuschätzen. Dies ist von größter Bedeutung für die zukünftige Entwicklung von verbesserten Modellen, aber auch für die korrekte Interpretation von Gravitationswellenbeobachtungen, die auf Grundlage solcher Familien von Wellenformen gemacht worden sind. Insbesondere wird diskutiert, wie lang der numerische Anteil des Signals sein muss, um die Hybride genau genug konstruieren zu können. Für die aktuell umsetzbaren Simulationslängen wird die Physik eingeschätzt, die mit Hilfe von Modell-basierten Suchen potentiell untersucht werden kann.show moreshow less

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Metadaten
Author:Frank Ohme
URN:urn:nbn:de:kobv:517-opus-60346
Advisor:Bernard F. Schutz
Document Type:Doctoral Thesis
Language:English
Date of Publication (online):2012/07/20
Year of Completion:2012
Publishing Institution:Universität Potsdam
Date of final exam:2012/07/09
Release Date:2012/07/20
Tag:Datenanalyse; Gravitationswellen; Numerische Relativitätstheorie; Post-Newton; Schwarze Löcher
black holes; data analysis; gravitational waves; numerical relativity; post-Newton
RVK - Regensburg Classification:UH 8700
Organizational units:Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät / Institut für Physik und Astronomie
Dewey Decimal Classification:5 Naturwissenschaften und Mathematik / 53 Physik / 530 Physik
Licence (German):License LogoCreative Commons - Namensnennung, Nicht kommerziell, Weitergabe zu gleichen Bedingungen 3.0 Deutschland
Notes extern:PACS-Klassifikation: 04.30.Tv , 04.25.Nx , 04.25.dg , 04.30.Db