TY - THES A1 - Antonelli, Andrea T1 - Accurate waveform models for gravitational-wave astrophysics: synergetic approaches from analytical relativity N2 - Gravitational-wave (GW) astrophysics is a field in full blossom. Since the landmark detection of GWs from a binary black hole on September 14th 2015, fifty-two compact-object binaries have been reported by the LIGO-Virgo collaboration. Such events carry astrophysical and cosmological information ranging from an understanding of how black holes and neutron stars are formed, what neutron stars are composed of, how the Universe expands, and allow testing general relativity in the highly-dynamical strong-field regime. It is the goal of GW astrophysics to extract such information as accurately as possible. Yet, this is only possible if the tools and technology used to detect and analyze GWs are advanced enough. A key aspect of GW searches are waveform models, which encapsulate our best predictions for the gravitational radiation under a certain set of parameters, and that need to be cross-correlated with data to extract GW signals. Waveforms must be very accurate to avoid missing important physics in the data, which might be the key to answer the fundamental questions of GW astrophysics. The continuous improvements of the current LIGO-Virgo detectors, the development of next-generation ground-based detectors such as the Einstein Telescope or the Cosmic Explorer, as well as the development of the Laser Interferometer Space Antenna (LISA), demand accurate waveform models. While available models are enough to capture the low spins, comparable-mass binaries routinely detected in LIGO-Virgo searches, those for sources from both current and next-generation ground-based and spaceborne detectors must be accurate enough to detect binaries with large spins and asymmetry in the masses. Moreover, the thousands of sources that we expect to detect with future detectors demand accurate waveforms to mitigate biases in the estimation of signals’ parameters due to the presence of a foreground of many sources that overlap in the frequency band. This is recognized as one of the biggest challenges for the analysis of future-detectors’ data, since biases might hinder the extraction of important astrophysical and cosmological information from future detectors’ data. In the first part of this thesis, we discuss how to improve waveform models for binaries with high spins and asymmetry in the masses. In the second, we present the first generic metrics that have been proposed to predict biases in the presence of a foreground of many overlapping signals in GW data. For the first task, we will focus on several classes of analytical techniques. Current models for LIGO and Virgo studies are based on the post-Newtonian (PN, weak-field, small velocities) approximation that is most natural for the bound orbits that are routinely detected in GW searches. However, two other approximations have risen in prominence, the post-Minkowskian (PM, weak- field only) approximation natural for unbound (scattering) orbits and the small-mass-ratio (SMR) approximation typical of binaries in which the mass of one body is much bigger than the other. These are most appropriate to binaries with high asymmetry in the masses that challenge current waveform models. Moreover, they allow one to “cover” regions of the parameter space of coalescing binaries, thereby improving the interpolation (and faithfulness) of waveform models. The analytical approximations to the relativistic two-body problem can synergically be included within the effective-one-body (EOB) formalism, in which the two-body information from each approximation can be recast into an effective problem of a mass orbiting a deformed Schwarzschild (or Kerr) black hole. The hope is that the resultant models can cover both the low-spin comparable-mass binaries that are routinely detected, and the ones that challenge current models. The first part of this thesis is dedicated to a study about how to best incorporate information from the PN, PM, SMR and EOB approaches in a synergistic way. We also discuss how accurate the resulting waveforms are, as compared against numerical-relativity (NR) simulations. We begin by comparing PM models, whether alone or recast in the EOB framework, against PN models and NR simulations. We will show that PM information has the potential to improve currently-employed models for LIGO and Virgo, especially if recast within the EOB formalism. This is very important, as the PM approximation comes with a host of new computational techniques from particle physics to exploit. Then, we show how a combination of PM and SMR approximations can be employed to access previously-unknown PN orders, deriving the third subleading PN dynamics for spin-orbit and (aligned) spin1-spin2 couplings. Such new results can then be included in the EOB models currently used in GW searches and parameter estimation studies, thereby improving them when the binaries have high spins. Finally, we build an EOB model for quasi-circular nonspinning binaries based on the SMR approximation (rather than the PN one as usually done). We show how this is done in detail without incurring in the divergences that had affected previous attempts, and compare the resultant model against NR simulations. We find that the SMR approximation is an excellent approximation for all (quasi-circular nonspinning) binaries, including both the equal-mass binaries that are routinely detected in GW searches and the ones with highly asymmetric masses. In particular, the SMR-based models compare much better than the PN models, suggesting that SMR-informed EOB models might be the key to model binaries in the future. In the second task of this thesis, we work within the linear-signal ap- proximation and describe generic metrics to predict inference biases on the parameters of a GW source of interest in the presence of confusion noise from unfitted foregrounds and from residuals of other signals that have been incorrectly fitted out. We illustrate the formalism with simple (yet realistic) LISA sources, and demonstrate its validity against Monte-Carlo simulations. The metrics we describe pave the way for more realistic studies to quantify the biases with future ground-based and spaceborne detectors. N2 - Wenn zwei kompakte Objekte wie Schwarze Löcher oder Neutronensterne kollidieren, wird der Raum und die Zeit um sie herum stark gekrümmt. Der effekt sind Störungen der Raumzeit, sogenannte Gravitationswellen, die sich im gesamten Universum ausbreiten. Mit den leistungsstarken und präzisen Netzwerken von Detektoren und der Arbeit vieler Wissenschaftler rund um den Globus kann man Gravitationswellen auf der Erde messen. Gravitationswellen tragen Informationen über das System, das sie erzeugt hat. Insbesondere kann man erfahren, wie sich die kompakten Objekte gebildet haben und woraus sie bestehen. Daraus lässt sich ableiten, wie sich das Universum ausdehnt, und man kann die Allgemeine Relativitätstheorie in Regionen mit starker Gravitation testen. Um diese Informationen zu extrahieren, werden genaue Modelle benötigt. Modelle können entweder numerisch durch Lösen der berühmten Einstein-Gleichungen oder analytisch durch Annäherung an deren Lösungen gewonnen werden. In meiner Arbeit haben wir den zweiten Ansatz verfolgt, um sehr genaue Vorhersagen für die Signale zu erhalten, die bei kommenden Beobachtungen durch Gravitationswellendetektoren verwendet werden können. KW - gravitational waves KW - Gravitationswellen KW - general relativity KW - allgemeine Relativitätstheorie KW - data analysis KW - Datenanalyse Y1 - 2021 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-576671 ER - TY - THES A1 - Vu, Nils Leif T1 - A task-based parallel elliptic solver for numerical relativity with discontinuous Galerkin methods N2 - Elliptic partial differential equations are ubiquitous in physics. In numerical relativity---the study of computational solutions to the Einstein field equations of general relativity---elliptic equations govern the initial data that seed every simulation of merging black holes and neutron stars. In the quest to produce detailed numerical simulations of these most cataclysmic astrophysical events in our Universe, numerical relativists resort to the vast computing power offered by current and future supercomputers. To leverage these computational resources, numerical codes for the time evolution of general-relativistic initial value problems are being developed with a renewed focus on parallelization and computational efficiency. Their capability to solve elliptic problems for accurate initial data must keep pace with the increasing detail of the simulations, but elliptic problems are traditionally hard to parallelize effectively. In this thesis, I develop new numerical methods to solve elliptic partial differential equations on computing clusters, with a focus on initial data for orbiting black holes and neutron stars. I develop a discontinuous Galerkin scheme for a wide range of elliptic equations, and a stack of task-based parallel algorithms for their iterative solution. The resulting multigrid-Schwarz preconditioned Newton-Krylov elliptic solver proves capable of parallelizing over 200 million degrees of freedom to at least a few thousand cores, and already solves initial data for a black hole binary about ten times faster than the numerical relativity code SpEC. I also demonstrate the applicability of the new elliptic solver across physical disciplines, simulating the thermal noise in thin mirror coatings of interferometric gravitational-wave detectors to unprecedented accuracy. The elliptic solver is implemented in the new open-source SpECTRE numerical relativity code, and set up to support simulations of astrophysical scenarios for the emerging era of gravitational-wave and multimessenger astronomy. N2 - Elliptische partielle Differentialgleichungen sind in der Physik allgegenwärtig. Das elektrische Feld einer Ladung, die Gravitation der Erde, die Statik einer Brücke, oder die Temperaturverteilung auf einer heißen Herdplatte folgen trotz verschiedenster zugrundeliegender Physik elliptischen Gleichungen ähnlicher Struktur, denn es sind statische, also zeitunabhängige Effekte. Elliptische Gleichungen beschreiben auch astrophysikalische Szenarien von kataklysmischen Ausmaßen, die jegliche Gegebenheiten auf der Erde weit überschreiten. So werden Schwarze Löcher und Neutronensterne -- zwei mögliche Endstadien von massereichen Sternen -- ebenfalls von elliptischen Gleichungen beschrieben. In diesem Fall sind es Einstein's Feldgleichungen von Raum, Zeit, Gravitation und Materie. Da Schwarze Löcher und Neutronensterne mehr Masse als unsere Sonne auf die Größe einer Stadt wie Potsdam komprimieren übernimmt die Gravitation, und damit Einstein's allgemeine Relativitätstheorie, die Kontrolle. Es ist die Aufgabe der numerischen Relativität, Szenarien wie die Kollision solcher gewaltigen Objekte mithilfe von Supercomputern zu simulieren und damit die Gravitationswellensignale vorherzusagen, die von Detektoren auf der Erde gemessen werden können. Jede dieser Simulationen beginnt mit Anfangsdaten, die elliptische Gleichungen erfüllen müssen. In dieser Dissertation entwickle ich neue numerische Methoden um elliptische partielle Differentialgleichungen auf Supercomputern zu lösen, mit besonderem Augenmerk auf Anfangsdaten für Simulationen von Schwarzen Löchern und Neutronensternen. Ich entwickle dafür eine sogenannte discontinuous Galerkin Methode um elliptische Gleichungen auf Computern zu repräsentieren, sowie eine Reihe von Algorithmen um diese Gleichungen anschließend schrittweise numerisch zu lösen bis sie die notwendige Präzision erfüllen. Die Besonderheit dieser Algorithmen liegt in ihrer Eigenschaft, in viele Teilprobleme zerlegt auf einer großen Zahl von Rechenkernen parallel arbeiten zu können. Dieses task-based parallelism ermöglicht die effektive Verwendung von Supercomputern. Ich demonstriere die Fähigkeit meiner Algorithmen, Berechnungen von über 200 Millionen Unbekannten mit hoher Effizienz auf mindestens einige Tausend Rechenkerne verteilen zu können, und Anfangsdaten zweier sich umkreisender Schwarzer Löcher bereits etwa zehnmal schneller zu lösen als der langjährig verwendete Computercode SpEC. Außerdem zeige ich, dass mein neuer Code auch außerhalb der Relativitätstheorie anwendbar ist. Dazu simuliere ich thermisches Rauschen in den Beschichtungen von Spiegeln, das ebenfalls von elliptischen Gleichungen beschrieben wird. Solche Spiegel sind Objekt großen Forschungsinteresses, da sie ein zentrales Element von Gravitationswellendetektoren darstellen. Mein Code zur numerischen Lösung elliptischer Gleichungen ist Teil des kollaborativen und quelloffenen SpECTRE Forschungsprojekts zur Simulation astrophysikalischer Szenarien für die aufstrebende Ära der Gravitationswellen- und Multimessenger-Astronomie. KW - numerical relativity KW - task-based parallelism KW - discontinuous Galerkin methods KW - elliptic partial differential equations KW - black holes KW - initial data KW - high-performance computing KW - iterative methods for sparse linear systems KW - gravitational waves KW - thermal noise in mirror coatings KW - numerische Relativität KW - elliptische partielle Differentialgleichungen KW - schwarze Löcher KW - Anfangsdaten KW - Hochleistungscomputer KW - iterative Methoden zur Lösung linearer Systeme KW - Gravitationswellen KW - thermisches Rauschen in Spiegelbeschichtungen Y1 - 2022 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-562265 ER - TY - THES A1 - Cotesta, Roberto T1 - Multipolar gravitational waveforms for spinning binary black holes and their impact on source characterization T1 - Multipolare Gravitationswellenformen für binäre Schwarze Löcher mit Spin und deren Einfluss auf die Quellencharakterisierung N2 - In the last five years, gravitational-wave astronomy has gone from a purerly theoretical field into a thriving experimental science. Several gravitational- wave signals, emitted by stellar-mass binary black holes and binary neutron stars, have been detected, and many more are expected in the future as consequence of the planned upgrades in the gravitational-wave detectors. The observation of the gravitational-wave signals from these systems, and the characterization of their sources, heavily relies on the precise models for the emitted gravitational waveforms. To take full advantage of the increased detector sensitivity, it is then necessary to also improve the accuracy of the gravitational-waveform models. In this work, I present an updated version of the waveform models for spinning binary black holes within the effective-one-body formalism. This formalism is based on the notion that the solution to the relativistic two- body problem varies smoothly with the mass ratio of the binary system, from the equal-mass regime to the test-particle limit. For this reason, it provides an elegant method to combine, under a unique framework, the solution to the relativistic two-body problem in different regimes. The main two regimes that are combined under the effective-one-body formalism are the slow-motion, weak field limit (accessible through the post-Newtonian theory), and the extreme mass-ratio regime (described using the black-hole- perturbation theory). This formalism is nevertheless flexible enough to integrate information about the solution to the relativistic two-body problem obtained using other techniques, such as numerical relativity. The novelty of the waveform models presented in this work is the inclusion of beyond-quadupolar terms in the waveforms emitted by spinning binary black holes. In fact, while the time variation of the source quadupole moment is the leading contribution to the waveforms emitted by binary black holes observable by LIGO and Virgo detectors, beyond-quadupolar terms can be important for binary systems with asymmetric masses, large total mass, or observed with large inclination angle with respect to the orbital angular momentum of the binary. For this purpose, I combine the approximate analytic expressions of these beyond-quadupolar terms, with their calculations from numerical relativity, to develop an accurate waveform model including inspiral, merger and ringdown for spinning binary black holes. I first construct this model in the simplified case of black holes with spins aligned with the orbital angular momentum of the binary, then I extend it to the case of generic spin orientations. Finally, I test the accuracy of both these models against a large number of waveforms obtained from numerical relativity. The waveform models I present in this work are the state of the art for spinning binary black holes, without restrictions in the allowed values for the masses and the spins of the system. The measurement of the source properties of a binary system emitting gravitational waves requires to compute O(107 − 109) different waveforms. Since the waveform models mentioned before can require O(1 − 10)s to generate a single waveform, they can be difficult to use in data-analysis studies given the increasing number of sources observed by the LIGO and Virgo detectors. To overcome this obstacle, I use the reduced-order-modeling technique to develop a faster version of the waveform model for black holes with spins aligned to the orbital angular momentum of the binary. This version of the model is as accurate as the original and reduces the time for evaluating a waveform by two orders of magnitude. The waveform models developed in this thesis have been used by the LIGO and Virgo collaborations in the inference of the source parameters of the gravitational-wave signals detected during the second observing run (O2), and first half of the third observing run (O3a) of LIGO and Virgo detectors. Here, I present a study on the source properties of the signals GW170729 and GW190412, for which I have been directly involved in the analysis. In addition, these models have been used by the LIGO and Virgo collaborations to perform tests on General Relativity employing the gravitational-wave signals detected during O3a, and to analyze the population of the observed binary black holes. N2 - Das Feld der Gravitationswellenastronomie hat sich in den letzten fünf Jahren von einem ausschließlich theoretischen Forschungsgebiet zu einer aufstrebenden experimentellen Wissenschaft entwickelt. Gravitationswellendetektoren haben bereits mehrere Signale gemessen die von binären Schwarzen Löchern und Neutronensternen im Sonnenmassenbereich entstanden sind. Viele weitere solcher Signale werden erwartet sobald die geplanten Aufrüstungen der Detektoren vollzogen wurden. Sowohl der Messung dieser Signale als auch der Charakterisierung ihrer astronomischen Quellen liegen größtenteils Modelle der erwarteten Gravitationswellenformen zugrunde. Um die steigende Sensibilität der Gravitationswellendetektoren voll ausschöpfen zu können ist es daher auch notwendig die Genauigkeit der Gravitationswellenmodelle zu steigern. In dieser Arbeit stelle ich aktualisierte Gravitationswellenmodelle für binäre Schwarze Löcher mit Spin vor die auf dem "effective-onebody" Formalismus beruhen. Dieser Formalismus basiert auf der Annahme, dass die Lösung des relativistischen Zweikörperproblems glatt mit dem Massenverhältnis des Binärsystems variiert, welches sich vom Regime gleicher Massen bis zum Testteilchenlimit erstreckt. Damit stellt der Formalismus eine elegante Methode dar die Lösungen des relativistischen Zweikörperproblems in verschiedenen Regimen zu verbinden. Er findet größtenteils Anwendung um das Regime langsamer Bewegung in schwacher Gravitation (beschrieben durch postnewtonische Theorie) mit dem Regime extremer Massenverhältnisse (beschrieben durch Störungstheorie) zu verbinden. Der Formalismus ist jedoch ebenso anwendbar um Informationen zur Lösung des relativistischen Zweikörperproblems von anderen Methoden zu integrieren, wie beispielsweise Ergebnisse der Numerischen Relativität. Die Neuheiten die diese Arbeit präsentiert umfassen zuvorderst die Einbindung von multipolaren Beiträgen in den Gravitationswellenformen von binären Schwarzen Löchern mit Spin die über den quadrupolaren Beitrag hinausgehen. Während die Zeitentwicklung des Quadrupolmoments typischerweise die Wellenformen von binären Schwarzen Löchern dominiert, die von den LIGO und Virgo Detektoren gemessen werden können, werden Beiträge höherer Multipolmomente insbesondere für Binärsysteme wichtig die asymmetrischen Massen, eine hohe Gesamtmasse oder einen Beobachtungswinkel der stark von der Drehimpulsachse des Orbits abweicht aufweisen. Für diesen Anwendungsbereich kombiniere ich Näherungen der analytischen Ausdrücke dieser höheren Multipolbeiträge mit Ergebnissen aus der Numerischen Relativität um ein Gravitationswellenmodell zu entwickeln welches die Phasen der Einspiralung, der Verschmelzung und des Abklingens von binären Schwarzen Löchern mit Spin mit hoher Genauigkeit beschreibt. Zunächst konstruiere ich das Modell für den einfacheren Fall von Schwarzen Löchern, deren Spins entlang des Drehimpulses ihres Orbits orientiert sind, und verallgemeinere das Modell anschließend für beliebige Orientierungen der Spins. Abschließend teste ich die Genauigkeit dieser beider Modelle anhand einer großen Zahl von Wellenformen aus der Numerischen Relativität. Die Wellenformen, die ich in dieser Arbeit präsentiere, entsprechen dem aktuellen Forschungsstand für binäre Schwarze Löcher mit Spin und enthalten keine Beschränkungen der Massen oder Spins. Um von einem gemessenen Gravitationswellensignal auf Eigenschaften des Binärsystems, welches das Signal produziert hat, schließen zu können ist es notwendig O(107 - 109) verschiedene Wellenformen zu berechnen. Da die oben beschriebenen Modelle jedoch O(1 - 10)s benötigen können um eine einzige Wellenform zu berechnen sind sie in dieser Form für die Datenanalyse der steigenden Zahl von Signalen, die von den LIGO und Virgo Detektoren gemessen werden, nur eingeschränkt brauchbar. Um diese Hürde zu überwinden entwickele ich mithilfe der "reduced-order-modeling" Methode eine schnellere Version der Wellenformmodelle für binäre Schwarze Löcher, deren Spins entlang des Drehimpulses ihres Orbits orientiert sind. Diese Version der Modelle ist ebenso genau wie das Original, reduziert jedoch die Evaluationszeit einer Wellenform um zwei Größenordnungen. Die in dieser Arbeit entwickelten Wellenformmodelle wurden bereits von den LIGO und Virgo Kollaborationen verwendet um Gravitationswellensignale zu analysieren die während des zweiten Beobachtungslaufs (O2) und der ersten Hälfte des dritten Beobachtungslaufs (O3a) der LIGO und Virgo Detektoren gemessen wurden. Hier präsentiere ich eine Studie der Quellencharakterisierung der Signale GW170729 und GW190412, bei denen ich direkt an der Analyse beteiligt war. Die Modelle wurden außerdem bereits von den LIGO und Virgo Kollaborationen verwendet um Test der Allgemeinen Relativitätstheorie mithilfe von Gravitationswellensignalen des O3a durchzuführen, und um die Population der gemessenen binären Schwarzen Löcher. KW - gravitational waves KW - binary black holes KW - binäre Schwarze Löcher KW - Gravitationswellen KW - gravitational-wave astronomy KW - Gravitationswellenastronomie KW - LIGO KW - LIGO KW - Virgo KW - Virgo KW - multipolar gravitational waves KW - Multipolare Gravitationswellenformen Y1 - 2021 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-508236 ER - TY - THES A1 - Amaro-Seoane, Pau T1 - Dense stellar systems and massive black holes T1 - Dichte stellare Systeme und massive Schwarze Löcher BT - sources of gravitational radiation and tidal disruptions BT - Quellen von Gravitationsstrahlung und Gezeiten-Sternzerissereignissen N2 - Gravity dictates the structure of the whole Universe and, although it is triumphantly described by the theory of General Relativity, it is the force that we least understand in nature. One of the cardinal predictions of this theory are black holes. Massive, dark objects are found in the majority of galaxies. Our own galactic center very contains such an object with a mass of about four million solar masses. Are these objects supermassive black holes (SMBHs), or do we need alternatives? The answer lies in the event horizon, the characteristic that defines a black hole. The key to probe the horizon is to model the movement of stars around a SMBH, and the interactions between them, and look for deviations from real observations. Nuclear star clusters harboring a massive, dark object with a mass of up to ~ ten million solar masses are good testbeds to probe the event horizon of the potential SMBH with stars. The channel for interactions between stars and the central MBH are the fact that (a) compact stars and stellar-mass black holes can gradually inspiral into the SMBH due to the emission of gravitational radiation, which is known as an “Extreme Mass Ratio Inspiral” (EMRI), and (b) stars can produce gases which will be accreted by the SMBH through normal stellar evolution, or by collisions and disruptions brought about by the strong central tidal field. Such processes can contribute significantly to the mass of the SMBH. These two processes involve different disciplines, which combined will provide us with detailed information about the fabric of space and time. In this habilitation I present nine articles of my recent work directly related with these topics. N2 - Die Gravitation bestimmt die Struktur des ganzen Universums und ist, obwohl sie mit großem Erfolg durch die Theorie der Allgemeinen Relativitätstheorie beschrieben wird, die am wenigsten verstandene Kraft in der Natur. Eine der grundsätzlichsten Vorhersagen dieser Theorie sind Schwarze Löcher. Massive, dunkle Objekte befinden sich in einem Großteil aller Galaxien. Das Zentrum unserer eigenen Galaxis enthält solch ein Objekt mit einer Masse von etwa vier Millionen Sonnenmassen. Sind diese Objekte supermassive Schwarze Löcher oder brauchen wir Alternativen? Die Antwort liegt im Ereignishorizont, der Eigenschaft, die ein Schwarzes Loch definiert. Der Schlüssel um den Ereignishorizont zu untersuchen ist, die Bewegungen der Sterne um eine Supermassives Schwarzes Loch zu modellieren, sowie deren Interaktionen, und nach Abweichungen von unseren Erwartungen in echten Beobachtungen zu suchen. Zentrale Sternhaufen, die ein massives, dunkles Objekt mit einer Masse bis zu ∼ zehn Millionen Sonnenmassen enthalten, sind gute Laborarien um den Ereignishorizont eines möglichen supermassiven Schwarzen Lochs mit Hilfe von Sternen zu untersuchen. Die Kanäle für mögliche Wechselwirkungen zwischen Sternen und einem zentralen Schwarzen Loch sind: (a) Kompakte Sternreste und stellare Schwarze Löcher können durch die Emission von Gravitationswellen allmählich auf spiralförmigen Orbits in das supermassive Schwarze Loch fallen, was als “Extreme Mass Ratio Inspiral” (EMRI) bezeichent wird. (b) Durch normale Sternentwicklung (Sternwinde) sowie durch Sternkollisionen oder Zerstörung von Sternen im starken zentralen Gezeitenfeld kann Gas freigesetzt werden, welches anschließend vom supermassiven Schwarzen Loch akkretiert werden kann. Solche Prozesse können wesentlich zur Masse eines Supermassiven Schwarzen Lochs beitragen. Die beiden Prozesse (a und b) beinhalten verschiedene astrophysikalische Aspekte, welche uns in ihrer Kombination mit detaillierter Information über die Beschaffenheit der Raumzeit versorgen. In dieser Habilitationsschrift präsentiere ich neun Artikel aus meiner jüngeren Forschungsarbeit, welche direkt Probleme aus diesen Themenbereichen behandeln. KW - stellar dynamics KW - massive black holes KW - gravitational waves KW - general relativity KW - Stellardynamik KW - massive Schwarze Löcher KW - Gravitationswellen KW - allgemeine Relativitätstheorie Y1 - 2016 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-95439 ER - TY - THES A1 - Mösta, Philipp T1 - Novel aspects of the dynamics of binary black-hole mergers T1 - Neue Aspekte der Dynamik von Kollisionen binärer schwarzer Löcher N2 - The inspiral and merger of two black holes is among the most exciting and extreme events in our universe. Being one of the loudest sources of gravitational waves, they provide a unique dynamical probe of strong-field general relativity and a fertile ground for the observation of fundamental physics. While the detection of gravitational waves alone will allow us to observe our universe through an entirely new window, combining the information obtained from both gravitational wave and electro-magnetic observations will allow us to gain even greater insight in some of the most exciting astrophysical phenomena. In addition, binary black-hole mergers serve as an intriguing tool to study the geometry of space-time itself. In this dissertation we study the merger process of binary black-holes in a variety of conditions. Our results show that asymmetries in the curvature distribution on the common apparent horizon are correlated to the linear momentum acquired by the merger remnant. We propose useful tools for the analysis of black holes in the dynamical and isolated horizon frameworks and shed light on how the final merger of apparent horizons proceeds after a common horizon has already formed. We connect mathematical theorems with data obtained from numerical simulations and provide a first glimpse on the behavior of these surfaces in situations not accessible to analytical tools. We study electro-magnetic counterparts of super-massive binary black-hole mergers with fully 3D general relativistic simulations of binary black-holes immersed both in a uniform magnetic field in vacuum and in a tenuous plasma. We find that while a direct detection of merger signatures with current electro-magnetic telescopes is unlikely, secondary emission, either by altering the accretion rate of the circumbinary disk or by synchrotron radiation from accelerated charges, may be detectable. We propose a novel approach to measure the electro-magnetic radiation in these simulations and find a non-collimated emission that dominates over the collimated one appearing in the form of dual jets associated with each of the black holes. Finally, we provide an optimized gravitational wave detection pipeline using phenomenological waveforms for signals from compact binary coalescence and show that by including spin effects in the waveform templates, the detection efficiency is drastically improved as well as the bias on recovered source parameters reduced. On the whole, this disseration provides evidence that a multi-messenger approach to binary black-hole merger observations provides an exciting prospect to understand these sources and, ultimately, our universe. N2 - Schwarze Löcher gehören zu den extremsten und faszinierensten Objekten in unserem Universum. Elektromagnetische Strahlung kann nicht aus ihrem Inneren entkommen, und sie bilden die kompaktesten Objekte, die wir kennen. Wir wissen heute, dass in den Zentren der meisten Galaxien sehr massereiche schwarze Löcher vorhanden sind. Im Fall unserer eigenen Galaxie, der Milchstrasse, ist dieses schwarze Loch ungefähr vier Millionen mal so schwer wie unsere Sonne. Wenn zwei Galaxien miteinander kollidieren, führt dies auch dazu, dass ihre beiden schwarzen Löcher kollidieren und zu einem einzelnen schwarzen Loch verschmelzen. Das Simulieren einer solchen Kollision von zwei schwarzen Löchern, die Vorhersage sowie Analyse der von ihnen abgestrahlten Energie in Form von Gravitations- und elektromagnetischen Wellen, bildet das Thema der vorliegenden Dissertation. Im ersten Teil dieser Arbeit untersuchen wir die Verschmelzung von zwei schwarzen Löchern unter verschiedenen Gesichtspunkten. Wir zeigen, dass Ungleichmässigkeiten in der Geometrie des aus einer Kollision entstehenden schwarzen Loches dazu führen, dass es zuerst beschleunigt und dann abgebremst wird, bis diese Ungleichmässigkeiten in Form von Gravitationswellen abgetrahlt sind. Weiterhin untersuchen wir, wie der genaue Verschmelzungsprozess aus einer geometrischen Sicht abläuft und schlagen neue Methoden zur Analyse der Raumzeitgeometrie in Systemen vor, die schwarze Löcher enthalten. Im zweiten Teil dieser Arbeit beschäftigen wir uns mit den Gravitationswellen und elektromagnetischer Strahlung, die bei einer Kollision von zwei schwarzen Löchern freigesetzt wird. Gravitationswellen sind Wellen, die Raum und Zeit dehnen und komprimieren. Durchläuft uns eine Gravitationswelle, werden wir in einer Richtung minimal gestreckt, während wir in einer anderen Richtung minimal zusammengedrückt werden. Diese Effekte sind allerdings so klein, dass wir sie weder spüren, noch auf einfache Weise messen können. Bei einer Kollision von zwei schwarzen Löchern wird eine grosse Menge Energie in Form von Gravitationswellen und elektromagnetischen Wellen abgestrahlt. Wir zeigen, dass beide Signale in ihrer Struktur sehr ähnlich sind, dass aber die abgestrahlte Energie in Gravitationswellen um ein Vielfaches grösser ist als in elektromagnetischer Strahlung. Wir führen eine neue Methode ein, um die elektromagnetische Strahlung in unseren Simulationen zu messen und zeigen, dass diese dazu führt, dass sich die räumliche Struktur der Strahlung verändert. Abschliessend folgern wir, dass in der Kombination der Signale aus Gravitationswellen und elektromagnetischer Strahlung eine grosse Chance liegt, ein System aus zwei schwarzen Löchern zu detektieren und in einem weiteren Schritt zu analysieren. Im dritten und letzen Teil dieser Dissertation entwickeln wir ein verbessertes Suchverfahren für Gravitationswellen, dass in modernen Laser-Interferometerexperimenten genutzt werden kann. Wir zeigen, wie dieses Verfahren die Chancen für die Detektion eines Gravitationswellensignals deutlich erhöht, und auch, dass im Falle einer erfolgreichen Detektion eines solchen Signals, seine Parameter besser bestimmt werden können. Wir schliessen die Arbeit mit dem Fazit, dass die Kollision von zwei schwarzen Löchern ein hochinteressantes Phenomenon darstellt, das uns neue Möglichkeiten bietet die Gravitation sowie eine Vielzahl anderer fundamentaler Vorgänge in unserem Universum besser zu verstehen. KW - schwarze Löcher KW - elektromagnetische Strahlung KW - Allgemeine Relativitätstheorie KW - Gravitationswellen KW - Raumzeitgeometrie KW - black-holes KW - gravitational waves KW - electromagnetic counterparts KW - general relativity KW - space-time geometry Y1 - 2011 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-59820 ER - TY - THES A1 - Ohme, Frank T1 - Bridging the gap between post-Newtonian theory and numerical relativity in gravitational-wave data analysis T1 - Die Verbindung von post-Newtonscher Theorie und Numerischer Relativitätstheorie in der Gravitationswellenanalyse N2 - 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. N2 - 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 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. KW - Schwarze Löcher KW - Gravitationswellen KW - Numerische Relativitätstheorie KW - Datenanalyse KW - Post-Newton KW - black holes KW - gravitational waves KW - numerical relativity KW - data analysis KW - post-Newton Y1 - 2012 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-60346 ER - TY - THES A1 - Gholami Ghadikolaei, Iraj T1 - Data analysis of continuous gravitational waves T1 - Daten Analyse der kontinuierlichen Gravitationswellen N2 - This thesis describes two main projects; the first one is the optimization of a hierarchical search strategy to search for unknown pulsars. This project is divided into two parts; the first part (and the main part) is the semi-coherent hierarchical optimization strategy. The second part is a coherent hierarchical optimization strategy which can be used in a project like Einstein@Home. In both strategies we have found that the 3-stages search is the optimum strategy to search for unknown pulsars. For the second project we have developed a computer software for a coherent Multi-IFO (Interferometer Observatory) search. To validate our software, we have worked on simulated data as well as hardware injected signals of pulsars in the fourth LIGO science run (S4). While with the current sensitivity of our detectors we do not expect to detect any true Gravitational Wave signals in our data, we can still set upper limits on the strength of the gravitational waves signals. These upper limits, in fact, tell us how weak a signal strength we would detect. We have also used our software to set upper limits on the signal strength of known isolated pulsars using LIGO fifth science run (S5) data. N2 - Diese Dissertation besteht aus zwei Projekten: Im ersten Projekt wird die Optimierung einer hierarchischen Strategie zum Auffinden von 'unbekannten' Pulsaren beschrieben. Der erste Teil besteht dabei aus einer semi-kohärenten und der zweite Teil aus einer kohärenten Optimierungsstrategie, wie sie in Projekten wie Einstein@Home verwendet werden kann. In beiden Ansätzen erwies sich eine 3-Stufensuche als optimale Suchstrategie für 'unbekannte' Pulsare. Für das zweite Projekt entwickelten wir eine Software für eine kohärente Multi-IFO (Interferometer Observatory) Suche. Zum Validieren der Software verwendeten wir sowohl simulierte Daten als auch Hardware induzierte Signale von Pulsaren aus dem vierten 'LIGO Science run' (S4). Wir erwarten nicht, mit der aktuellen Empfindlichkeit unserer Detektoren echte GW- Signale aufzunehmen, können jedoch obere Grenzen für die Stärke der Gravitationswellen-Signale bestimmen. Diese oberen Grenzen geben uns an, wie schwach ein gerade noch detektierbares Signal werden kann. Ferner benutzten wir die Software um eine obere Grenze für bekannte, isolierte Pulsare zu bestimmen, wobei wir Daten aus dem fünften 'LIGO Science run (S5) verwendeten. KW - Daten Analyse KW - Gravitationswellen KW - Upper Limit KW - Gravitational Wave KW - data analysis KW - Upper Limit Y1 - 2007 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-18800 ER - TY - THES A1 - Ott, Christian David T1 - Stellar iron core collapse in {3+1} general relativity and the gravitational wave signature of core-collapse supernovae T1 - Stellarer Eisenkernkollaps in Allgemeiner Relativitätstheorie und die Gravitationswellensignatur von Kern-Kollaps-Supernovae N2 - I perform and analyse the first ever calculations of rotating stellar iron core collapse in {3+1} general relativity that start out with presupernova models from stellar evolutionary calculations and include a microphysical finite-temperature nuclear equation of state, an approximate scheme for electron capture during collapse and neutrino pressure effects. Based on the results of these calculations, I obtain the to-date most realistic estimates for the gravitational wave signal from collapse, bounce and the early postbounce phase of core collapse supernovae. I supplement my {3+1} GR hydrodynamic simulations with 2D Newtonian neutrino radiation-hydrodynamic supernova calculations focussing on (1) the late postbounce gravitational wave emission owing to convective overturn, anisotropic neutrino emission and protoneutron star pulsations, and (2) on the gravitational wave signature of accretion-induced collapse of white dwarfs to neutron stars. N2 - Ich präsentiere die ersten Computer-Simulationen des rotierenden Kollapses stellarer Eisenkerne, die in der {3+1}-Zerlegung der Allgemeinen Relativitätstheorie durchgeführt werden und Vorsupernova-Sternmodelle aus Sternentwicklungsrechnungen, eine heiße nukleare Zustandsgleichung und ein näherungsweises Verfahren zur Beschreibung des Elektroneneinfangs enthalten und Neutrinodruck-Effekte berücksichtigen. Basierend auf den Ergebnissen dieser Rechnungen erhalte ich die zur Zeit realistischsten Vorhersagen für das Gravitationswellensignal der Kollaps, Abprall, Abkling und frühen Nach-Abprallphase einer Kern-Kollaps-Supernova. Neben den {3+1} Simulationen diskutiere ich newtonsche axisymmetrische Kern-Kollaps-Supernova-Simulationen mit Schwerpunkten auf: (1) der Gravitationswellenabstrahlung in der späten Nach-Abprallphase durch Konvektionsströmungen, anisotropische Neutrinoemission und Proto-Neutronenstern Pulsationen und (2) der Gravitationswellensignatur des Kollapses weißer Zwergsterne zu Neutronensternen, der durch Akkretion eingeleitet wird. KW - Gravitationswellen KW - Kern-Kollaps-Supernovae KW - Allgemeine Relativitätstheorie KW - Gravitational Waves KW - Core-Collapse Supernovae KW - General Relativity Y1 - 2006 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-12986 ER -