Novel Strategies for Continuous Gravitational Wave Searches in the Era of the Advanced Detectors
- Autores: Rodrigo Tenorio Márquez
- Directores de la Tesis: David Benjamin Keitel (dir. tes.), Alicia Magdalena Sintes Olives (dir. tes.)
- Lectura: En la Universitat de les Illes Balears ( España ) en 2023
- Idioma: inglés
- Tribunal Calificador de la Tesis: Graham Woam (presid.), Ornella Juliana Piccinni (secret.), Christopher Messenger (voc.)
- Programa de doctorado: Programa de Doctorado en Física por la Universidad de las Illes Balears
- Materias:
- Enlaces
- Tesis en acceso abierto en: RepositoriUIB
- Resumen
- español
Las ondas gravitacionales continuas (CWs) son formas de radiación gravitacional de larga duración aun no detectadas.
Se espera que tales señales sean emitidas por estrellas de neutrones (NS) no axisimétricas en nuestra galaxia girando a altas velocidades.
La detección de una CW ampliaría nuestro conocimiento sobre la población de NS galáctica, así como sobre la Física que se lleva acabo en tales objetos.
Esta tesis presenta tres nuevos métodos para post-procesar y dar seguimiento a los resultados de búsquedas de CW a ciegas. Estos métodos se han utilizado de forma rutinaria en búsquedas de CW realizadas por la colaboración LIGO--Virgo--KAGRA en el tercer periodo de observación.
También se presentan dos búsquedas de CW procedentes de NS desconocidos utilizando datos del tercer periodo de observación de Advanced LIGO.
Primero, introducimos una nueva noción de distancia entre señales CW para comprimir los candidatos a señal a un número menor grupos significativos a fin de seguirlos más facilmente. El uso de esta distancia aumenta la sensibilidad de una búsqueda piloto en datos de O2 para CW de NS desconocidas en sistemas binarios con respecto al uso de una distancia euclidiana.
El segundo método evalua el resultado de un seguimiento de varias etapas de un candidato CW.
Se propone un nuevo factor de Bayes para establecer si su comportamiento a lo largo de un seguimiento por etapas es consistente con el de una señal astrofísica. La distribución bajo la hipótesis de señal evalúa la consistencia de las amplitudes de la señal; la distribución bajo la hipótesis del ruido utiliza teoría de valores extremos para estimar la significancia del candidato más significativo producido por un proceso de ruido. La efectividad de este factor de Bayes se ejemplifica analizando treinta candiadtos atípicos producidos por varias búsquedas en los datos abiertos del segundo periodo de observación de los detectores Advanced LIGO (O2).
Ninguno de estos candidatos resultó consistente con una señal astrofísica.
En tercer lugar, proponemos un nuevo método para estimar la significancia del candidato más significativo producido por el ruido en una búsqueda de ondas gravitacionales.
El método aplica teoría de valores extremos, la cual se basan en el comportamiento de la cola de las distribuciones de probabilidad involucradas. Así, este método constr umbrales de detección incluso si se desconoce la distribución de la estadística en uso.
Esto permite re-evaluar el posprocesamiento de una búsqueda en datos abiertos de O2 utilizando una estadística de detección más robusta contra los artefactos instrumentales. Esta estadística no se utilizó en la búsqueda original ya que su distribución bajo la hipótesis del ruido es desconocida.
Finalmente presentamos sendas búsquedas de CW a ciegas utilizando datos del tercer periodo de observación de la colaboración LIGO--Virgo--KAGRA, centradas, respectivamente, en NS en sistemas binarios y NS aisladas.
Estas búsquedas utilizaron los nuevos métodos de análisis desarrolados y obtuvieron consequentemente los resultados más sensibles hasta el momento en los espacios de parámetros analizados, así como una precisión sin precedentes a la hora de recuperar los parámetros de señales generadas artificialmente.
Pese a la falta de detección de una señal CW, los métodos aquí desarrollados representan un paso adelante hacia el análisis eficiente de amplias regiones del espacio de parámetros.
Esto nuevos métodos de post-procesamiento y seguimiento servirán como base para definir las futuras búsquedas a ciegas en datos del cuarto periodo de observación de la red avanzada de detectores interferométricos.
También serán relevantes a medida que futuros detectores comiencen a sondear frecuencias más bajas del espectro de ondas gravitacionales, ya que entonces un mayor número de sistemas producirán señales de ondas gravitacionales compatibles con el modelo CW.
- català
Les ones gravitacionals contínues (CWs) són formes de radiació gravitacional de llarga durada encara no detectades.
S'espera que aquests senyals siguin emesos per estels de neutrons (NSs) no axisimètrics en rotació a la nostra galàxia.
Aquesta tesi presenta tres nous mètodes per post-processar i seguir els resultats de cerques de CW a cegues.
L'impacte d'aquests nous tres mètodes' presentats en aquesta tesi es fa palès a en l'ús extensiu d'aquests mètodes en una fracció significativa de les cerques de CW produïdes sobre les dades d'O3 dels detectors Advanced LIGO.
També es presenten els resultats de dues cerques de CW a cegues procedents d'NS utilitzant dades dels detectors Advanced LIGO.
En primer lloc, introduïm una nova noció de distància entre senyals CW per a comprimir els candidats a senyal a un nombre reduït a fi de facilitar el seu seguiment.
L'ús daquesta distància augmenta la sensibilitat d'una cerca pilot sobre dades d'O2 per a CW procedents de NS desconeguts a sistemes binaris respecte a l'ús d'una distància euclidiana.
El segón mètode analitza com avaluar el resultat d'un seguiment de diverses etapes d'un candidat CW.
Es proposa un nou factor de Bayes per establir si el seu comportament al llarg d'un seguiment per etapes és consistent amb el d'un senyal astrofísic. La distribució sota la hipòtesi de senyal avalua la consistència de les amplituds del senyal al llarg de diferents etapes. La distribució sota la hipòtesi de soroll empra teoria de valors extrems per estimar la significança del candidat més significatiu produït per un procés de soroll. L'efectivitat d'aquest factor de Bayes s'exemplifica amb l'anàlisi trenta candiats atípics produïts per diverses cerques a les dades obertes del segon període d'observació dels detectors Advanced LIGO (O2).
Cap d'aquests candidats atípics no resulta consistent amb un senyal astrofísic.
En tercer lloc, proposam un nou mètode per a estimar la significança del candidat més significatiu produït pel soroll en una cerca d'ones gravitacionals.
El mètode aplica teoria de valors extrems, els quals es basen en el comportament de la cua de les distribucions de probabilitat involucrades. Conseqüentment, aquest mètode permet la construcció de llindars de detecció fins i tot si es desconeix la distribució subjacent de l'estadística en ús.
Això permet re-avaluar el postprocessament d'una cerca en dades obertes d'O2 amb una estadística de detecció més robusta contra els artefactes instrumentals.
Aquesta estadística no es va utilitzar a la cerca original perquè la seva distribució sota la hipòtesi del soroll és desconeguda.
Finalment, es presenten dues cerques CW a cegues sobre dades del tercer període d'observació dels detectors LIGOVirgo- KAGRA, centrades, respectivament, en NS en sistemes binaris i NS aïllats.
Aquestes cerques emplearen els mètodes d'anàlisi de dades discutides als capítols anteriors, i obtingueren en conseqüència els resultats més sensibles fins ara als espais de paràmetres analitzats, així com una precisió sense precedents a l'hora de recuperar els paràmetres de senyals generats artificialment.
Tot i la manca de detecció d'un senyal CW, els mètodes desenvolupats en aquesta tesi representen un pas endavant cap a l'anàlisi eficient d'àmplies regions de l'espai de paràmetres.
El postprocessament i les estratègies de seguiment presentades serviran com a base per a definir les futures cerques a cegues sobre dades del quart període d'observació de la xarxa avançada de detectors interferomètrics.
Aquests mètodes també seran rellevants a mesura que futurs detectors comencin a sondejar freqüències més baixes de l'espectre d'ones gravitacionals, atès que llavors un major nombre de sistemes produiran senyals d'ones gravitacionals compatibles amb el model CW.
- English
Continuous gravitational waves (CWs) are long-lasting forms of gravitational radiation whose detection is yet to be achieved. The expected sources of such signals are rapidly-spinning non-axisymmetric neutron stars (NSs) within our galaxy, even though more exotic sources, such the evaporation of boson clouds around spinning black holes, have been also considered in the literature.
A direct detection of a CW would expand our knowledge about the galactic NS population, as well as the extreme physics undergoing in these objects. Also, it would allow to further test the validity of General Relativity.
This thesis presents three new methods to post-process and follow-up the results of all-sky CW searches. Two searches for CWs from isolated and binary unknown NSs conducted on Advanced LIGO data are also presented. These methods have been routinely used in CW searches conducted by the LIGO--Virgo--KAGRA collaboration.
First, we introduce a new notion of distance among CW signals to select of interesting candidates resulting from the main stage of a CW search.
This distance can be used to compresses into a smaller number of meaningful groups for an easier follow up. This new approach increases the sensitivity of a pilot search on O2 data for CWs from unknown NSs in binary systems with respect to using an ad-hoc Euclidean distance.
The second method evaluates the result of a multi-stage follow-up of an interesting CW candidate produced by a generic CW search.
Concretely, it proposes a new Bayes factor to establish whether the behaviour of a candidate throughout several follow-up stages is consistent an astrophysical signal. The signal hypothesis' distribution follows from first principles, and evaluates the consistency of signal amplitudes across different follow-up stages with different sensitivities; the noise hypothesis' distribution uses extreme-value-theory results to estimate the expected loudest candidate produced by a background.The effectiveness of this approach is demonstrated by analyzing thirty outliers produced by several open-data searches using the second observing run of the Advanced LIGO detectors.
None of these outliers was deemed consistent with an astrophysical source.
Finally, we propose a method to estimate the loudest candidate produced by the background in a gravitational-wave search. The method builds on extreme-valuetheory results, which are based on the tail behaviour of probability distributions.
Thus, it allows for the construction of meaningful detection thresholds even if the underlying distribution of the detection statistic at hand is unknown.
This property is then exploited to re-evaluate the post-processing of a search on O2 open data to use a detection statistic more robust to instrumental artifacts.
This statistic was not used in the original search as its distribution under the noise hypothesis is unknown; our method on the other hand, can be applied without any major trouble.
We then present two blind CW searches for unknown NSs using data from the third observing run of the LIGO--Virgo--KAGRA detector, focusing respectively on NSs in binary systems and isolated NSs.
These searches made use of data-analysis strategies derived in this thesis to deliver the most sensitive results in the analyzed parameter spaces and an unprecedented precision in the recovery of parameters from artificially-generated signals.
Despite the lack of CW signal detection, the methods developed in this thesis represent a step forward towards the effective analysis of broad parameterspace regions.
The post-processing and follow-up strategies here presented will serve as a basis for searching wide parameter-space regions in the forthcoming runs of the advanced network of detectors.
These approaches may also become relevant as future detectors start to probe lower frequencies of the gravitational-wave spectrum, as then a higher number of systems will produce gravitational-wave signals compatible with the CW model.
- español
