Gravitational wave data analysis for the advanced detector era

Abstract

[eng] Gravitational wave astronomy became a reality on September 2015 with the LIGO-Virgo discovery of a distant and massive binary black hole coalescence. The more recent discovery of a binary neutron star merger in August 2017, followed by a gamma ray burst and a kilonova, reinforces the expectation of observing the first almost monochromatic continuous gravitational wave; these type signals are suppose to be emitted by spinning non-axisymmetric compact objects e.g neutron stars. This thesis is devoted to the search of gravitational wave emissions from isolated compact objects in our own galaxy. However, even after considering their relative proximity compared to the compact binary mergers we have observed to date, these gravitational-wave are very elusive as their strain amplitudes are orders of magnitude weaker i.e. O(1025) compared to the typical O(1021) observed from compact binary mergers. Due to this the detection of such weak signals would be the result of long time spans integration of data, this problem translates in a threshold sensitivity and parameter space volume due to limited computational resources. The main work has focused on the development and optimization of semi-coherent methods, based on the Hough transform, to search for continuous sinusoidal gravitational wave signals from unknown continuous sources e.g neutron stars that do not beam a radio signal in the earth’s direction and for signals of intermediate durations (of the order of hours to days) as applied in the GW170817 post-merger remnant search for a newborn neutron star. The work I present here has been crucial for a number of continuous wave searches in data from the advanced LIGO detectors, which are collected in this thesis. My contributions have been included in three LIGO-Virgo full collaboration papers in which I had a leading role, as well as in several short author papers. I have also been involved in multiple updates of the LSC Data Analysis Software (LIGO Algorithm Library - LALSuite), including a new full search for transient gravitational waves of intermediate duration.

[cat] L’astronomia de les ones gravitacionals es va iniciar al setembre de 2015 amb el descobriment d’una coalesc`encia bin`aria distant i massiva de forats negres, portada a terme per la col·laboraci´o LIGO-Virgo. El m´es recent descobriment d’una fusi´o d’estrelles de neutrons binaris, seguit d’un esclat de raigs gamma i una kilonova, reforcen l’inter`es d’aquesta nova etapa, en la que aviat podrem veure altres fonts d’ones gravitacionals, incloent les cont´ınues, senyals gaireb´e monocrom`atiques emeses per objectes compactes que giren, especialment les estrelles de neutrons no axisim´etricas, en la nostra pr`opia gal`axia. Malgrat la seva relativa proximitat (diversos kpc davant de desenes a centenars de Mpc), s’espera que aquestes fonts produeixin amplituds d’ones gravitacionals en ordres de magnitud m´es feble que els vistos a coalesc`encies de sistemes binaris compactes, ´es a dir, O(1025) o m´es petit en comparaci´o amb o(1021). La nostra ´unica possibilitat de detectar senyals tan febles prov´e de la integraci´o de dades sobre per´ıodes de llarga durada, per`o aquestes integracions incorren, en la majoria de les recerques, en enormes costos computacionals per a cobrir de manera sistem`atica una porci´o rellevant de l’espai de par`ametres. Aquesta tesi est`a dedicada a la recerca d’emissions d’ones gravitacionals per objectes compactes a¨ıllats: estrelles de neutrons. El treball principal s’ha centrat en el desenvolupament i optimitzaci´o de m`etodes semi coherents, basats en la transformada de Hough, per buscar senyals d’ones gravitacionals sinuso¨ıdals cont´ınues de fonts cont´ınues desconegudes: estrelles de neutrons que no emeten una r`adio senyal en direcci´o a la Terra, i per a senyals de durades interm`edies (de l’ordre d’hores a dies) -com aplicat en la recerca de romanents post-fusi´o GW170817 per un estel de neutrons acabat de n´eixer. El treball que present ha estat crucial per a les publicacions sobre les ones cont´ınues utilitzant les dades dels detectors LIGO avan¸cats que es recopilen en aquesta tesi. Les seves contribucions han estat incloses en tres publicacions de la col·laboraci´o completa de LIGO-Verge, en qu`e el meva feina va tenir un paper protagonista, aix´ı com en diverses publicacions amb llistes breus d’autors. Ha estat involucrat en m´ultiples actualitzacions de les dades de LSC.Software d’an`alisi (LIGO Algorithm Library - LALSuite), inclosa una nova recerca completa d’ones gravitacionals transit`ories de durada interm`edia.

[spa] La astronom´ıa de las ondas gravitacionales se inici´o en septiembre de 2015 con el descubrimiento de una coalescencia binaria distante y masiva de agujeros negros, llevada a cabo por la colaboracion LIGO-Virgo. El m´as reciente descubrimiento de una fusi´on de estrellas de neutrones binarios, seguido de un estallido de rayos gamma y una kilonova, refuerzan el inter´es de esta nueva etapa, en la que pronto podremos ver otras fuentes de ondas gravitacionales, incluyendo las continuas, se˜nales casi monocrom´aticas emitidas por objetos compactos que giran, especialmente las estrellas de neutrones no axisim´etricas, en nuestra propia galaxia. A pesar de su relativa cercan´ıa (varios kpc frente a decenas a cientos de Mpc), se espera que tales fuentes produzcan amplitudes de ondas gravitacionales en ´ordenes de magnitud m´as d´ebil que los vistos en coalescencias de sistemas binarios compactos, es decir, O(1025) o m´as peque˜no en comparaci´on con O(1021). Nuestra ´unica posibilidad de detectar se˜nales tan d´ebiles proviene de la integraci´on de datos sobre periodos de larga duraci´on, pero estas integraciones incurren, en la mayor´ıa de las b´usquedas, en enormes costes computacionales para cubrir de manera sistem´atica una porci´on relevante del espacio de par´ametros. Esta tesis est´a dedicada a la b´usqueda de emisiones de ondas gravitacionales por objetos compactos aislados: estrellas de neutrones. El trabajo principal se ha centrado en el desarrollo y optimizaci´on de m´etodos semi coherentes, basados en la transformada de Hough, para buscar se˜nales de ondas gravitacionales sinusoidales continuas de fuentes continuas desconocidas: estrellas de neutrones que no emiten una radio se˜nal en direcci´on a la Tierra, y para se˜nales de duraciones intermedias (del orden de horas a d´ıas) aplicado en la b´usqueda de remanentes post-fusi´on GW170817 para una estrella de neutrones reci´en nacida. El trabajo que presento ha sido crucial para una de publicaciones sobre las ondas continuas utilizando los datos de los detectores LIGO avanzados que se recopilan en esta tesis. Sus contribuciones han sido incluidas en tres publicaciones de la colaboraci´on completa de LIGO-Virgo, en los que mi papel tuvo un caracter protagonista, as´ı como en varias publicaciones con listas breves de autores. Ha estado involucrado en m´ultiples actualizaciones de los datos de LSC.Software de an´alisis (LIGO Algorithm Library - LALSuite), incluida una nueva b´usqueda completa de ondas gravitacionales transitorias de duraci´on intermedia.