Searching for long-duration transient gravitational waves from spinning neutron stars

• Autores: Luana Michela Modafferi
• Directores de la Tesis: David Benjamin Keitel (dir. tes.), Alicia Magdalena Sintes Olives (dir. tes.), Carlos Palenzuela Luque (tut. tes.)
• Lectura: En la Universitat de les Illes Balears ( España ) en 2023
• Idioma: inglés
• Número de páginas: 165
• Tribunal Calificador de la Tesis: María Ángeles Pérez García (presid.), Pablo Cerdá Durán (secret.), Maxime André Joël Fays (voc.)
• Programa de doctorado: Programa de Doctorado en Física por la Universidad de las Illes Balears
• Materias:
  • Física
• Enlaces
  • Tesis en acceso abierto en: RepositoriUIB
• Resumen
  • español

    Mientras las detecciones de ondas gravitacionales (OGs) de coalescencias de sistemas binarios compactos están convirtiéndose en rutina, con 90 eventos detectados por las colaboraciones LIGO—Virgo—KAGRA durante los primeros tres periodos de observación, las señales de OGs de estrellas de neutrones individuales aún no se han descubierto. Los púlsares, estrellas de neutrones que giran y emiten rayos electromagnéticos, son objetos astronómicos increíblemente densos que también podrían emitir OGs continuas (CW) casi monocromáticas de larga duración. La mayoría de los púlsares observados son relojes muy estables, pero algunos presentan anomalías en su evolución denominados glitches: aumentos repentinos de la frecuencia de rotación seguidos de una fase de relajación que puede durar de días a meses. Los glitches son uno de los pocos casos en los que podemos examinar indirectamente el interior de un púlsar. Estos fenómenos podrían desencadenar emisión de OGs, similar a una CW pero limitada en el tiempo: una onda continua transitoria (tCW). El tema principal de esta tesis es el estudio y el desarrollo de métodos para buscar tCWs de glitches de púlsares. La primera parte comprende tres capítulos introductorios sobre la fenomenología física y los medios metodológicos para entender este tipo de búsquedas: generación de OGs y su propagación, descripción de púlsares y de glitches, y finalmente la delineación de los diferentes métodos utilizados en esta tesis para buscar tCWs. En la segunda parte presento resultados científicos originales separados en tres capítulos. El primero es el estudio de las perspectivas futuras para detectar tCWs después de un glitch, durante las próximas campañas de observación de LIGO—Virgo—KAGRA y también con detectores de tercera generación: Einstein Telescope y Cosmic Explorer. El análisis consistió en recojer datos de catálogos de glitches de púlsares, calcular el límite superior de energía indirecta para cada glitch y comparar estos valores con las sensibilidades de los diferentes detectores. Los resultados son prometedores, especialmente para los detectores de tercera generación que hubieran sido capaces de detectar el 35—40% de los glitches pasados gracias a su mejorada sensibilidad. El segundo capítulo cubre los resultados de una búsqueda de tCWs usando el método ya existente de F-statistic de matched filtering, y datos de LIGO—Virgo durante la tercera campaña de observación. Se encontraron dos posibles detecciones provenientes del púlsar J0537—6910, pero después de una minuciosa inspección, no se pudo asegurar una detección confiable. Para cada glitch, se establecieron límites superiores en la amplitud de OG en función de la duración, y ninguno supera el límite superior indirecto físico del glitch correspondiente. En el último capítulo presento los resultados de una búsqueda tCW basada parcialmente en el aprendizaje automático. Para esta búsqueda implementé redes neuronales convolucionales que usan cantidades intermedias de matched filtering, llamadas “F-statistic atoms”, y que alcanzan sensibilidades similares a las de las estadísticas de detección estándar a un costo computacional más bajo.

  • català

    Mentre les deteccions d'ones gravitacionals (OGs) de coalescències binàries compactes estan convertint-se en rutina, amb 90 esdeveniments detectats per les col·laboracions LIGO—Virgo—KAGRA durant els tres primers períodes d'observació, els senyals d'OG d'estels de neutrons individuals encara no s'han descobert. Els púlsars, estels de neutrons que giren i emeten raigs d'ones electromagnètiques, són objectes astronòmics increïblement densos que també podrien emetre OGs contínues (CW) gairebé monocromàtiques de llarga durada. La majoria dels púlsars observats són rellotges molt estables, però alguns presenten anomalies en la seva evolució anomenats glitches: augments sobtats de la freqüència de rotació seguits d'una fase de relaxació que pot durar de dies a mesos. Els glitches són un dels pocs casos en què podem examinar indirectament l'interior d'un púlsar. Aquests fenòmens podrien desencadenar emissió d'OGs, semblant a una CW però limitada en el temps: una ona contínua transitòria (tCW). El tema principal d'aquesta tesi és l'estudi i el desenvolupament de mètodes per cercar tCWs de glitches de púlsars. La primera part comprèn tres capítols introductoris sobre la fenomenologia física i els mitjans metodològics per entendre aquest tipus de cerques: generació d'OGs i la seva propagació, descripció de púlsars i caracterització de glitches, i finalment l'exposició dels diferents mètodes utilitzats en aquesta tesi per buscar tCWs. A la segona part presento resultats científics originals separats en tres capítols. El primer és l'estudi de les perspectives futures per detectar aquest tipus de senyals després d'un glitch, durant les properes campanyes de observació de LIGO—Virgo—KAGRA i també amb detectors de tercera generació: Einstein Telescope i Cosmic Explorer. L'anàlisi va consistir en recollir dades de catàlegs de glitches de púlsars, calcular el límit superior d'energia indirecta per a cada glitch i comparar aquests valors amb les sensibilitats dels diferents detectors. Els resultats són prometedors, especialment per a detectors de tercera generació que haguessin estat capaços de detectar el 35—40% dels glitches passats gràcies a la seva major sensitivitat esperada. El segon capítol cobreix els resultats d'una cerca de tCWs usant el mètode ja existent de F-statistic de matched filtering, i dades de LIGO—Virgo durant la tercera campanya de observació. Es van trobar dues possibles deteccions provinents del púlsar J0537—6910, però després d'una minuciosa inspecció, no es va poder asegurar una detecció fiable. Per a cada glitch, es van establir límits superiors a la amplitud d'OG en funció de la durada, i cap no supera el límit superior indirecte físic de la glitch corresponent. Al darrer capítol presento els resultats d'una cerca tCW basada parcialment en l'aprenentatge automàtic. Per a aquesta cerca vaig implementar xarxes neuronals convolucionals que usen quantitats intermèdies de matched filtering, anomenades “F-statistic atoms”, i que assoleixen sensibilitats similars a les de les estadístiques de detecció estàndard a un cost computacional més baix.

  • English

    While gravitational wave (GW) detections from compact binary coalescences are becoming routine, with 90 events detected by the LIGO—Virgo—KAGRA collaborations throughout the first three observing runs, GW signals from individual neutron stars (NSs) are yet to be discovered. Pulsars, i.e. rotating NSs which emit electromagnetic beams, are incredibly dense astronomical objects which could also emit long-lasting, quasi-monochromatic continuous waves (CWs). Most of the observed pulsars are very stable clocks, but some exhibit anomalies in their evolution called glitches, consisting of a sudden increase in the rotational frequency followed by a relaxation phase with timescales from days to months. Pulsar glitches are one of the few instances during which we can indirectly examine the interior of a NS. These rare phenomena could trigger GW emission, similar to CWs but limited in time, namely transient continuous waves (tCWs). The main subject and objective of this thesis is the study and development of methods to search for tCWs from glitching pulsars. The first part comprises three introductory chapters providing both physical phenomenology and methodological means to understand these types of searches: GW generation and propagation, description of pulsars and characterization of pulsar glitches, and finally the delineation of different methods used in this thesis to search for tCWs. In the second part I present original scientific results separated into three chapters. The first one is the study of the prospects to detect these types of signals from glitching pulsars during the next LIGO—Virgo—KAGRA observing runs and with third generation detectors, Einstein Telescope and Cosmic Explorer. The analysis consisted in collecting data from pulsar glitch catalogues, computing the indirect energy upper limit for each glitch and comparing these values to the sensitivities of different detectors. The results are promising, especially for third generation detectors which would be able to detect (or at least physically constrain) 35—40% of past glitches thanks to their expected improved sensitivity. The second results chapter covers the results of a tCW search based on the existing F-statistic matched-filtering method, on LIGO—Virgo data during the third observing run. Two outliers coming from the pulsar J0537—6910 were reported, but after thorough follow-up inspection no confident detection could be claimed. For each glitch, upper limits on the GW amplitude as a function of the duration of the signal were set, and none surpass the physical indirect upper limit of the corresponding glitch. Finally, in the last results chapter I develop and present the results of a tCW search partially based on deep learning. For this search I designed and implemented convolutional neural networks which receive as input intermediate matched-filter quantities, called “F-statistic atoms”, and which reach sensitivities similar to those of standard detection statistics at a lower computational cost.