Highly eccentric signals in gravitational wave physics  Page description

Help  Print 
Back »

 

Details of project

 
Identifier
116892
Type PD
Principal investigator Mikóczi, Balázs
Title in Hungarian Nagy excentricitású jelek a gravitációshullám-fizikában
Title in English Highly eccentric signals in gravitational wave physics
Keywords in Hungarian kompakt kettősök, gravitációs hullámok, paraméterbecslés
Keywords in English compact binary,gravitational waves, parameter estimation
Discipline
Physics (Council of Physical Sciences)100 %
Ortelius classification: Relativity
Panel Physics
Department or equivalent Theoretical Physics Department (Wigner Research Centre for Physics)
Starting date 2015-09-01
Closing date 2018-12-31
Funding (in million HUF) 18.873
FTE (full time equivalent) 3.00
state closed project
Summary in Hungarian
A kutatás összefoglalója, célkitűzései szakemberek számára
Itt írja le a kutatás fő célkitűzéseit a témában jártas szakember számára.

A kutatás célja a gravitációshullám-fizika elméletének pontosabb és alkalmazás-centrikusabb leírása. A kutatási tervem 3 fő témakörre épül, melyek a következők:
I. Nagy excentricitású kettősök vizsgálata,
II. Alternatív paraméterbecslés a gravitációs hullámokra,
III. Forgó magnetárok mágneses momentumainak mozgása.

Az első kettő témakör szerves folytatását tűzné ki célul a jelenleg folyó kutatási területemnek, illetve az utolsó témakör pedig a doktori disszertációmhoz kapcsolódik. Mindhárom témakör fókuszál az kompakt kettős rendszerek leírására és a gravitációs sugárzás okozta jelalakok mérhetőségének gyakorlati vizsgálataira.

A tisztán relativisztikus poszt-newtoni rendek mellett a pályázat célja a jelkeresésben általában elhanyagolt fontosabb fizikai mennyiségek figyelembevétele, úgy mint a nagy pálya excentricitás, a spinek (testek sajátforgása) és a mágneses dipólmomentumok (pl. neutroncsillagok).

Az egyes jelalakok pontos analitikus felírása után tervezem a standard és alternatív bayes-i paraméterbecslési eljárás vizsgálatát, amely a Fisher mátrixok használatán alapszik. A gravitációs jelalakok analízisére törekvésem egy olyan időtérbeli módszer kidolgozására irányul, amely független a stacionárius fázisközelítéstől (SFK). Így az SFK-ben fellépő bizonytalanságok teljesen kiküszöbölhetők lesznek az egyes paraméterbecslési statisztikai módszerekből.

Mi a kutatás alapkérdése?
Ebben a részben írja le röviden, hogy mi a kutatás segítségével megválaszolni kívánt probléma, mi a kutatás kiinduló hipotézise, milyen kérdéseket válaszolnak meg a kísérletek.

A kutatás két fő alapkérdése, hogy milyen a gravitációs hullám egy nagy excentricitású kompakt kettős forrás által, illetve detektálhatók-e a közeljövőben ilyen típusú gravitációs jelek. A fő probléma, hogy pontosan nem ismert a gravitációs hullám jelalakja egy teljesen általános kettős rendszer esetén. A jelenlegi elméleti jelalakokra főként körpálya, illetve nagyon kicsi excentricitású közelítést alkalmaznak. A kutatásom fő alaptézise, hogy a mérhető jel egy nagy excentricitású, vagyis “elnyúlt pályájú” forrásból adódik. A kutatás fő célja ezen forrásból kapható gravitációs hullámok a lehető legpontosabb leírása, illetve a kísérletileg is mérhető jelalakra a legoptimálisabb standard és alternatív Fisher analízisen alapuló paraméterbecslési eljárás kidolgozása.

Mi a kutatás jelentősége?
Röviden írja le, milyen új perspektívát nyitnak az alapkutatásban az elért eredmények, milyen társadalmi hasznosíthatóságnak teremtik meg a tudományos alapját. Mutassa be, hogy a megpályázott kutatási területen lévő hazai és a nemzetközi versenytársaihoz képest melyek az egyediségei és erősségei a pályázatának!

A kutatási terv elméleti jelentősége a jelalakok statisztikai vizsgálatán alapszanak, illetve így az új szemléletmód és az említett pontosított számolási technikák lényegesen javíthatják a következő generációs földi, vagy az űrben telepíteni kívánt detektorok gravitációs hullám adatanalízisét, melyek fontos információt fognak nyújtani a kompakt kettősök tulajdonságairól. Korábbi kutatásaim során bebizonyosodott, hogy vannak olyan szupermasszív tömegű fekete lyuk kettősök, ahol a precesszióval és az excentricitással módosított jelalakok számottevően javíthatják a standard paraméterek mérhetőségét, amely fontos lehet a jövőben épülő detektoroknál. Az egyes elméleti és technikai nehézségek leküzdésével, valamint a következő generációs detektorok építésével lehetőség nyílik olyan mérnöki és fizikusi szellemi műhely „összekovácsolása”, amely a jövő tudományának és technikájának a magas fokát tűzi ki célul.

A kutatás összefoglalója, célkitűzései laikusok számára
Ebben a fejezetben írja le a kutatás fő célkitűzéseit alapműveltséggel rendelkező laikusok számára. Ez az összefoglaló a döntéshozók, a média illetve az adófizetők tájékoztatása szempontjából különösen fontos az NKFI számára.

Einstein általános relativitáselmélete a mai napig összhangban van a világegyetemünkben zajló jelenségek kísérletileg is mérhető eredményeivel. Az elmélet szerint, egy kompakt (neutroncsillagból és/vagy fekete lyukból álló) kettős rendszer energiát és pálya impulzusmomentumot veszít az egymás körüli keringése folyamán. Ezáltal a testek egymáshoz közelebb kerülnek és a relatív pályájuk befelé spirálozó mozgást végez. A “veszteségekért” Einstein 1918-ban megjósolt gravitációs hullámok a felelősek.

Közvetett méréssel ugyan sikerült megmérni a kettős rendszer fél-nagytengelyének csökkenését az 1974-es Hulse és Taylor által felfedezett kettős pulzár segítségével, ám a jelenlegi legnagyobb (3km és 4km karhosszúságú) interferometria elven működő földi detektorokkal (Virgo és LIGO) sem sikerült még kimutatni a gravitációs hullámokat közvetlenül. Az egyik fő probléma, hogy nem ismert elegendően pontosan a forrásból kapható elméleti jel alakja (ún.: jelalak) és a detektorok megfelelő érzékenysége csak a jövőbeli technikai fejlesztéseknek lesz köszönhető.

A kutatás célja az elméleti jelalakok pontosítása és a jelkeresési algoritmusok vizsgálata többfajta fizikai aspektusból konkrétan a pálya excentricitásának, a testek sajátforgásának (spinjének) és a mágneses momentumainak figyelembevételei.
Summary
Summary of the research and its aims for experts
Describe the major aims of the research for experts.

Our goal is to describe the gravitational waves (thereafter GW) physics with more accuracy to be applicable for wider data analysis and be ready-to-use. My research plan has three main topics which are:
I. Description of the highly eccentric binaries,
II. Non-standard parameter estimation on gravitational waves,
III. Motion of the spinning magnetars’ magnetic moments.

The first and second tasks are straightforward continuation of my recent research, while the last task is related to my PhD work. All of three topics are focused on the measurements of the compact binaries’ signals under gravitational radiation.

Beyond the pure post-Newtonian contributions, we will take into account the orbital eccentricity, spins (rotation of bodies) and magnetic dipole moments (e.g. neutron stars), which are generally dropped in GW signal searches methods.

I shall compute the analytic accuracy waveforms for these cases and then I investigate the standard and non-standard Bayesian parameter estimation (based on Fisher matrix) for such sources. I plan to describe a time domain method for GW data analysis which is not dependent on using the SPA, so the ambiguities of the SPA can completely be eliminated.

What is the major research question?
Describe here briefly the problem to be solved by the research, the starting hypothesis, and the questions addressed by the experiments.

The two main questions of my research plan are the accurate description of the GW signal’s waveforms from highly eccentric compact binaries and the possibility of the measurement for these signals in the near future. The main problem is that we do not have accurate description for these GW signals in different physical situations.
Essentially the actual theoretical waveforms are valid for circular and lower eccentric orbits. My research is focusing on the examination of highly eccentric compact binaries therefore the goal is the more accurate description of these sources by GW and investigation of more optimal standard and non-standard parameter estimation method based on the Fisher’s analysis.

What is the significance of the research?
Describe the new perspectives opened by the results achieved, including the scientific basics of potential societal applications. Please describe the unique strengths of your proposal in comparison to your domestic and international competitors in the given field.

The theoretical significance of the above research plan is based on the mathematical statistics analysis of the accurate waveforms and the new aspects of parameter estimation which can significantly improve the calculation methods of the advanced ground- and space-based interferometric detectors, so the GW data analysis leads to important information from the compact binary systems. Getting over the challenges coming from the theoretical and experimental aspects we will have the possibility in cooperation with the physicist and the engineers to implement such a next generation interferometric detectors which will serve the expectations of the future’s science and technology in a high level performance.

Summary and aims of the research for the public
Describe here the major aims of the research for an audience with average background information. This summary is especially important for NKFI in order to inform decision-makers, media, and the taxpayers.

Einstein’s general relativity describes the phenomena in our universe which agrees with the experimental results so far. According to the theory a compact binary which can consist of neutron star(s) and/or black hole(s) loose(s) its energy and orbital angular moment during their circular motion around each other. Therefore these objects are getting closer to each other and the shape of the relative orbit shows inspiraling movement. These energy and orbital angular moment losses are dissipated by the gravitational waves which were predicted by Einstein in 1918.

Although we were managed to measure the decrease of the semi-major axis loss of the first double pulsar on indirect way of astronomic method discovered by Hulse and Taylor in 1974, however the currently operational ground-based interferometric detectors with the 3 and 4 km sized arm-length (Virgo and LIGO) could even not detect the gravitational waves directly. One of the main problems is that the theoretical form of the gravitational waves coming from the binary sources are still not known exactly enough. The other issue which needs to be improved is the sensitivity of the detectors in future.

The goal of my research is to specify the theoretical waveforms and to investigate and improve the gravitational wave signal search algorithms from more physical aspects e.g. the components of these binaries can have rotating movement or magnetic dipole moments or orbital ellipticity.





 

Final report

 
Results in Hungarian
A pályázat fő célja a kompakt kettősök és az általuk keltett gravitációs hullámok elméleti vizsgálata volt, amely főként a források fizikai paramétereire, úgymint a forgás és az excentricitás hatásaira koncentrált, az általános relativitáselmélet egyik közelítő elméletének a poszt-newtoni formalizmus segítségével. A kettősök mozgásának leírásánál ezen fizikai jellemzők hatásait adtam meg, konkrétan a mozgás dinamikáját a vezetőrendű spin-pálya kölcsönhatásra az összes spin mellékfeltétel (spin supplementary condition, SSC) esetére adtam meg, továbbá rámutattam arra, hogy a gravitációs hullámjelalak, energia és impulzusmomentum-veszteség mennyiségek függnek az SSCk-től. Ezen kutatási irányt tovább folytatva a testek forgó mozgásának leírását kiterjesztettük és általánosabb kontextusba helyeztük. Ennek keretében a görbült téren mozgó spines részecske egzakt ún.: Mathisson-Papapetrou-Dixon (MPD) egyenleteinek analitikus és numerikus vizsgálataival foglalkoztunk, szemben a pályázatban tervezett poszt-newtoni módszer használatával. Kimutattuk, hogy spines részecske esetén is léteznek zoom-whirl-szerű pályák Kerr téridőn, melyek általános eseteben nem síkmozgások.
Results in English
The aim of the proposal was the theoretical investigation of the compact binary systems and the gravitational waves formed by the binaries which focused on the impact of the physical parameters of the source, i.e. spin and eccentricity with the help of the post-Newtonian formalism the part of the approximation theory of the general relativity. We have given the impacts of these physical properties for description of binary evolution and calculated The dynamics of compact binaries with spin-orbit interaction in different spin supplementary conditions (SSCs). Furthermore, we have shown that the gravitational waveform, the energy and angular momentum losses under gravitational radiation for the spin-orbit contributions depend on SSCs. Continuing this research, we have extended the description of the spinning motion and placed it in a more general context. In this way we studied the exact Mathison-Papapetrou-Dixon (MPD) equations for the motion of the spinning particle in curved spacetime under analytical and numerical investigations as opposed to the planned use of the post-Newtonian methods in proposal. We have shown that the zoom-whirl-like orbits exist in case of spinning bodies on Kerr spacetime, which are non-plane motions in general.
Full text https://www.otka-palyazat.hu/download.php?type=zarobeszamolo&projektid=116892
Decision
Yes





 

List of publications

 
Mikóczi B: Spin supplementary conditions for spinning compact binaries, Phys. Rev. D 95, 064023, 2017
Mikóczi B: Spin supplementary conditions for spinning compact binaries, arXiv: 1609.01536 (submitted to Phys Rev D), 2016
Mikóczi B, Forgács P, Vasúth M: First order post-Newtonian gravitational waveforms of binaries on eccentric orbits with Hansen coefficients, Phys. Rev. D 92, 044038, 2015




Back »