Listening to the Sounds
- f Space-time
Kostas Kokkotas
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13/02/14 Shanghai
Listening to the Sounds of Space-time Kostas Kokkotas 13/02/14 - - PowerPoint PPT Presentation
Listening to the Sounds of Space-time Kostas Kokkotas 13/02/14 Shanghai Modern Optical Astronomy Hubble Space Telescope OWL VLT 13/02/14 Shanghai Radio-astronomy 2nd half of the 20th century 13/02/14 Shanghai Gamma ray
¡
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Hubble Space Telescope
VLT OWL
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2nd half of the 20th century
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Chandra ¡x-‑ray ¡
Newton ¡satellite ¡
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Sudbury Neutrino Observatory
Most of our current knowledge of the Universe comes from the observation of photons?
Super-Kamiokande
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Gravitational Waves will provide a new way to view the dynamics of the Universe
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2
4
1 8 2 G R g R g T c
µν µν µν µν
π − + Λ =
2
ds g dx dx
µ ν µν
=
spacetime deformation.
the motion of matter.
2 2
d2x µ ds2 ~ f (gµν )
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They produce tidal deformations
2 2 2 2 4
1 4 d G h T c dt c g h
µν µν µν µν µν
π η ⎛ ⎞ −∇ = ⎜ ⎟ ⎝ ⎠ = +
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ij
5
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While
– The information carried by EM waves is stochastic in nature, while the GWs provide insights into coherent mass currents.
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In contrast,
pristine condition.
– Therefore, GWs can be used to probe regions of space that are opaque to EM waves.
– while
while
source.
– Therefore, we cannot use GW data to create an image of the source. GW
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except…
§ Propagate through most things like GW, so you can see dense centers § But neutron stars don’t generate so many ν after first few minutes.
– The ¡strength ¡of ¡the ¡sources ¡ – The ¡rate ¡of ¡occurrence ¡of ¡the ¡various ¡events ¡
– Experimental ¡tests ¡of ¡fundamental ¡laws ¡of ¡physics ¡which ¡cannot ¡be ¡tested ¡in ¡ any ¡other ¡way ¡
– By ¡comparing ¡the ¡arrival ¡;mes ¡of ¡EM ¡and ¡GW ¡bursts ¡we ¡can ¡measure ¡ ¡their ¡ speed ¡with ¡a ¡frac;onal ¡accuracy ¡~10-‑11 ¡ – Polariza;on ¡proper;es ¡of ¡the ¡GWs ¡will ¡verify ¡GR ¡predic;on ¡that ¡the ¡waves ¡ are ¡transverse ¡and ¡traceless ¡ – From ¡the ¡waveforms ¡we ¡can ¡directly ¡iden;fy ¡the ¡existence ¡of ¡BHs ¡
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Nobel 1993 Hulse & Taylor
PSR 1913+16
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5
GW
Supernovae, BH/NS formation Young Neutron Stars BH and NS Binaries Spinning neutron stars in X-ray binaries
Black Holes : M/R=0.5 Neutron Stars : M/R~0.2 White Dwarfs : M/R~10-4
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(contribute to a noisy background)
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Galaxy mergers Galactic Binaries Capture orbits
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f ∼104Hz → ρ ∼1016gr/cm3 f ∼10−4Hz → ρ ∼1gr/cm3
1/2 1/2 3
~ ~ ( )
dyn
GM f G R ρ ⎛ ⎞ ⎜ ⎟ ⎝ ⎠
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Improve ¡the ¡sensi6vity ¡ & ¡ construct ¡new ¡detectors ¡ Data ¡Analysis ¡ ü Understand ¡the ¡physics ¡
ü Produce ¡waveforms ¡for ¡ data ¡analysis ¡
Current detectors
3rd generation
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Quantum Fluctuations in the Early Universe Merging super-massive black holes (SMBH) at galactic cores Phase transitions in the Early Universe Capture
holes and compact stars by SMBH Merging binary neutron stars and black holes in distant galaxies Neutron star quakes & magnetars
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ALLEGR LLEGRO - A O - AURIG IGA - EXPL
ORER ER - N
TILUS
more than 20 years ago.
There will be no continuation on Acoustic Detectors
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Narrow band detectors (few tens of Hz) around the bars’ resonant frequency (~900Hz) ü Most suited for short-lived broad-band transient signals ü Operated as a network of detectors, “IGEC”, in 1997-2000 ü Have resumed network analysis in 2005 as “IGEC2” ü THE PROJECTS WILL BE DISCONTINUED
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Dista istanc nce fr from
the Ga Gala lactic tic cente nter d ~ d ~1.5 .5x1 x1017
17 cm
cm Δd= d=ΔL x d= L x d= 15 15cm cm
LIGO VIRGO GEO eLISA
KAGRA
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– ~3x10-‑23 ¡1/Hz1/2 ¡at ¡200 ¡Hz ¡
– Seismic ¡mo;on ¡ – Thermal ¡Noise ¡ – Radia;on ¡Pressure ¡
– Photon ¡Shot ¡Noise ¡ – Residual ¡Gas ¡
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Frequency Range of Human Hearing
VIR VIRGO
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ü Present detectors up to now tested upper limits ü Even in the optimistic case rate was too low to start GW astronomy ü Need to improve the sensitivity ü Increase the sensitivity by 10 increase the probed volume by 1000
LIGO - Virgo LIGO+ - Virgo+ AdvLIGO - AdvVirgo
Credit: R.Powell 13/02/14 Shanghai
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events/ year
Virgo/ LIGO Advanced detectors
NS/NS ~0.3 ~100-500 BH/NS ~0.02 ~80 BH/BH ~0.8 ~2000 Total ~1.0 2000
– Double Neutron Stars (NS/NS) – Neutron Star-Black Hole (NS/BH) – Double Black Holes (BH/BH)
events/ year
Virgo/ LIGO 2007 Advanced Detectors 2015+
ET 2025 NS/NS ~0.02 ~40 millions BH/NS ~0.006 ~10 104 BH/BH ~0.01 ~20 millions Total ~0.04 70 Signal shape very well known
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During ¡the ¡final ¡coalescence, ¡or ¡ merger, ¡of ¡ ¡two ¡BHs, ¡a ¡giant ¡burst ¡
generally ¡emiIed ¡in ¡one ¡preferred ¡ direc6on, ¡the ¡BH ¡is ¡then ¡kicked ¡in ¡ the ¡other ¡direc6on.. ¡ Merging ¡Super-‑massive ¡BHs ¡can ¡be ¡
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– The violent dynamics associated with a supernova core collapse is expected to lead to GW emission through a number of channels
– Asymmetries, generated either by strains in the star’s crust or by the magnetic field, are expected to slowly leak rotational energy away from spinning neutron stars.
– Neutron stars have rich oscillation spectra which, if detected, could allow us to probe the internal composition “GW Asteroseismology”
– Magnetar flares emit huge amounts of EM radiation, if a small percentage is emitted in GW they can be a promising source. ¡
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Supernova core collapse was the primary source of the early GW detectors Rate 1/30yr in a typical galaxy Detection would provide unique insight into SN physics: – optical signal hours after collapse – neutrinos after several seconds – GWs emitted during collapse
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21 10
10 , 700 kpc h f Hz d
−
≈ !
h ! 10−20 −10−21 10kpc d , f ≈ 600Hz
21 20 10
− −
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such stars is poorly understood.
pulsars pulse or glitch.
– equation of state, superfluidity, superconductivity, solid core, source of magnetic field.
made of strange matter!
Just after supernova (proto-neutron star formation)
Triaxial instabilities, possible fragmentation instability Many kinds of oscillation modes tell us about structure
Later in NS life cycle
Glitches: must excite various modes at some level & emit GW (no direct evidence yet) SGR superflare: some evidence of crust t-modes (torsional) ringing in x-ray signal after Dec. 27, 2004; frequencies sensitive to crust composition, structure & B-field; GW help break degeneracy
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Wobbling neutron star Rotational instabilities “Mountain” on neutron star Accreting neutron star
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n Stochastic backgrounds
n Produced ¡by ¡superposi;on ¡of ¡a ¡number ¡of ¡astrophysical ¡sources ¡or ¡the ¡
energe;c ¡processes ¡in ¡the ¡Early ¡Universe ¡ ¡
n Strength ¡and ¡spectrum ¡of ¡astrophysical ¡backgrounds, ¡produc;on ¡of ¡
early-‑universe ¡radia;on, ¡rela;on ¡to ¡fundamental ¡physics ¡(string ¡theory, ¡ branes, ¡…) ¡
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