Searching for continuous gravitational waves with advanced LIGO

Abstract

[cat] Totes les OGs que han estat detectades fins ara han vengut de fusions de sistemes binaris compactes, un tipus de senyal que és detectable durant segons o uns pocs minuts. Un tipus completament diferent d'ona gravitacional són les ones gravitacionals contínues, senyals de llarga duració majoritàriament produides per estrelles de neutrons (tant aïllades com a sistemes binaris) asimètriques que es troben rotant. Hi ha hagut moltes cerques que han intentat trobar aquest tipus de senyal, però cap d'elles ho ha aconseguit. Encara que les ones contínues poden ser monitoritzades durant molt de temps, es prediu que la seva amplitud és uns quants ordres de magnitud menor que l'amplitut de les ones provinents de fusions de sistemes binaris compactes: les ones ja detectades tenen una amplitut habitual al voltant de $10^{- 21}$, mentre que cerques d'ones contínues sense deteccions impliquen que aquesta amplitut hagi de ser menor que $10^{-26}$ per alguns púlsars, fet que remarca el gran repte que detectar aquestes ones representa. Les cerques d'ones contínues poden dividir-se entre cerques d'ones provinents de púlsars coneguts o cerques d'ones provinents d'estrelles de neutrons desconegudes. Al contrari que per el primer tipus de cerca (per les quals la posició al cel, la freqüència de rotació, i el ritme amb que aquesta freqüència es redueix són coneguts), les cerques de fonts que no han estat detectades mitjançant radiació electromagnètica requereixen algoritmes capaços d'analitzar espais de paràmetres gegants, ja que les dades han de ser correlacionades amb els models d'ona teòrics els quals depenen d'aquests paràmetres desconeguts, que han de ser inclosos per tenir en compte les diferents modulacions com la modulació Doppler produida per la rotació de la Terra i la seva òrbita al voltant del sol. Desafortunadament, no hi ha prou potència computacional disponible per cercar un espai de paràmetres tan gran i gairebé continu en posició al cel, freqüència, i ritme de frenat. Per aquesta raó, el desenvolupament d'algoritmes no òptims que puguin gestionar aquest espai de paràmetres és una tasca important dins el camp d'anàlisi de dades. Aquesta tesi està separada en dues parts diferents. La primera part es compon de tres capítols que presenten introduccions a diferents temes que són necessaris per comprendre la recerca d'ones contínues: com es generen i propaguen les ones gravitacionals, què són les estrelles de neutrons i com poden generar ones gravitacionals, i quins mètodes estadístics s'han d'usar per detectar un senyal contínua i estimar els seus paràmetres. La segona part consta de quatre capítols que resumeixen els resultats originals que han estat publicats en revistes d'alt impacte.

[spa] La primera detección directa de ondas gravitacionales (OGs), detectadas el 14 de septiembre de 2015, marcó el comienzo de la astronomía de ondas gravitacionales. Todas las OGs que se han detectado hasta ahora provienen de fusiones de sistemas binarios compactos, un tipo de señal que es detectable durante segundos o unos pocos minutos. Un tipo completamente diferente de ondas gravitacionales son las ondas gravitacionales continuas (CWs), que son ondas de larga duración producidas principalmente por estrellas de neutrones (aisladas o en sistemas binarios) asimétricas en rotación. Aunque se han realizado muchas búsquedas de CWs, ninguna de ellas ha logrado una detección. A pesar de que las CWs se pueden rastrear durante tiempos mucho más largos que las fusiones de sistemas binarios compactos, se cree que la amplitud de estas ondas es muy menor: la amplitud de las OGs ya detectadas es de alrededor de $10^{-21}$, mientras que las búsquedas de CWs están limitando esta amplitud a menos de $10^{-26}$ para algunos púlsares, hecho que remarca el enorme desafío de detectar CWs. Las búsquedas de CWs se pueden dividir entre búsquedas de OGs de púlsares conocidos y búsquedas de OGs de estrellas de neutrones desconocidas. A diferencia de las búsquedas de OGs de los púlsares (cuyas ubicaciones, frecuencias de emisión de ondas gravitacionales, y ritmos a los que estas frecuencias se reducen son bien conocidas), las búsquedas de fuentes electromagnéticamente silenciosas requieren algoritmos que analicen espacios de parámetros mucho más grandes, porque los datos tienen que ser correlacionados con formas de onda teóricas que dependen de estos parámetros desconocidos, que deben incluirse para tener en cuenta las diferentes modulaciones que están presentes, como la modulación Doppler producida por la rotación de la Tierra y su órbita alrededor del sol. Desafortunadamente, no hay suficiente potencia de cómputo disponible para buscar un espacio de parámetros tan grande y casi continuo en posición del cielo, frecuencia y ritmo de frenado. Por esta razón, el desarrollo de algoritmos no óptimos que puedan manejar este enorme espacio de parámetros es una tarea importante dentro del campo de análisis de datos. Esta tesis está separada en dos partes diferentes. La primera parte se compone de tres capítulos que presentan introducciones a diferentes temas que son necesarios para comprender las búsquedas de CWs: cómo se generan y propagan las ondas gravitacionales, qué son las estrellas de neutrones y cómo pueden generar ondas gravitacionales, y qué métodos estadísticos deben usarse para detectar una señal continua y estimar sus parámetros. La segunda parte consta de cuatro capítulos que resumen los resultados originales que han sido publicados en revistas de alto impacto.

[eng] The first direct detection of gravitational waves (GWs) on September 14 2015 marked the beginning of gravitational-wave astronomy. All of the GWs that have been detected until now came from compact binary coalescences, a type of signal that is detectable during seconds or a few minutes. A completely different type of gravitational waves are continuous gravitational waves (CWs), which are long-lasting waves mainly produced by asymmetric rotating neutron stars, either isolated or in binary systems. Although many searches for CWs have been done, none of them has reported a detection. Even though CWs can be tracked during much longer times than compact binary coalescences, the amplitude of these gravitational waves is expected to be many orders of magnitude smaller: the amplitude of the detected GWs is around $10^{-21}$, whereas CW searches are constraining this amplitude to be less than $10^{-26}$ for some pulsars, which clearly underlines the challenge of detecting CWs. CW searches can be divided between searches for GWs from known pulsars and searches for GWs from unknown neutron stars. Unlike searches for GWs from pulsars (whose locations, gravitational wave emission frequencies, and spin-down rates are well known), searches for electromagnetically quiet sources require algorithms that look at vastly larger parameter spaces, because the data has to be correlated with theoretical waveforms that depend on these unknown parameters, which have to be included to take into account the different modulations such as the Doppler modulation produced by Earth’s rotation and orbit around the sun. Unfortunately, there is not enough computing power available to search such a large and nearly continuous parameter space in sky position, frequency, and spin-down rate. For this reason, developing non-optimal algorithms that can deal with this huge parameter space is an important task within the data analysis community. This thesis is separated in two different parts. The first part is made up of three chapters that give introductions to different topics that are needed to understand CW searches: how gravitational waves are generated and propagated, what neutron stars are and how they can generate gravitational waves, and what statistical methods have to be used in order to detect a CW signal and estimate its parameters. The second part is made up of four chapters that summarize original results that have been published in high-impact journals.