Scriptiebank overzicht

Einsteins theorie van algemene relativiteit doorstaat al meer dan een eeuw elke experimentele test. Toch zijn we er steeds meer van overtuigd dat Einstein niet volledig gelijk had. Zwarte gaten zijn een uitstekend laboratorium om naar die afwijkingen te zoeken, en dat is precies wat ik heb onderzocht: hoe het luisteren naar zwarte gaten kan verraden waar Einstein mis ging, welke zwarte gaten daarvoor het meest geschikt zijn, en hoe dat zou klinken. Met toekomstige detectoren, zoals de Einstein Telescope die mogelijks naar België komt, horen we dan misschien eindelijk iets dat Einstein nooit voorspeld heeft.

Zwaartekrachtsdetectoren zoals Virgo meten uiterst kleine lengteveranderingen in hun kilometerslange laserarmen om zwaartekrachtsgolven van botsende zwarte gaten en neutronensterren te detecteren. De betrouwbaarheid van deze metingen (massa, afstand en locatie van de bron) hangt volledig af van de nauwkeurigheid waarmee het instrument geijkt is. Een bekende bron van systematische fouten is verstrooid licht: een klein deel van het laserlicht lekt door de eindspiegels van de detector en kan, wanneer het weerkaatst en opnieuw de arm binnendringt, een echte zwaartekrachtsgolf nabootsen.

Deze scriptie onderzoekt of dit ongewenste effect net bewust kan worden opgewekt en gebruikt als onafhankelijke ijkingsmethode. Een piëzo-elektrisch plaatje, geplaatst achter de eindspiegel, wordt op een gekozen frequentie in trilling gebracht om gecontroleerd verstrooid licht te genereren. Twee sensoren, één ter hoogte van het plaatje, één aan het einde van de detector, meten het resulterende signaal, waarna een zelfijkende methode toelaat om het spiegellek te berekenen.

Simulaties tonen aan dat deze methode, ondanks de beperkte tijdsvensters waarin het signaal bruikbaar is, het spiegellek kan bepalen met een nauwkeurigheid van ruim onder één procent, over een breed bereik van trilfrequenties. Een prototype van het plaatje en zijn positioneersysteem werd gebouwd en getest, wat een onverwacht thermisch probleem blootlegde: het kale oppervlak absorbeert te veel laserlicht en warmt op in vacuüm. Een reflecterende coating (spectralon) wordt voorgesteld als oplossing.

Eenmaal operationeel op Virgo, biedt deze methode een volledig onafhankelijke ijkingscontrole naast bestaande technieken, en draagt ze zo bij aan de betrouwbaarheid van toekomstige zwaartekrachtgolfdetecties.

De laatste tien jaar hebben zwaartekrachtsgolven kunnen detecteren, strekkingen in de ruimte en de tijd. Toch willen we golven met lagere frequenties kunnen meten met behulp van toekomstige ruimtetelescopen, met name de LISA-missie onder leiding van ESA. Voordat LISA gelanceerd wordt, moet er nog veel voorbereid worden, met name het kwantificeren van haar onzekerheden en ruis. Voorlopig gebruikt de LISA-gemeenschap een paar vereenvoudigingen wanneer ze de ruis en de signalen proberen modelleren met behulp van enkele mooie symmetrieën.

Mijn thesisonderzoek heeft echter aangetoond dat zelfs voor heel simpele signalen je in de problemen terechtkomt wanneer je sommige symmetrieën niet aanneemt tijdens het afschatten van de onzekerheden.

When fundamental symmetries break during early universe phase transitions the resulting scalar field can develop non trivial space dependent configurations of non-vanishing energy density, known as defects; examples of which include domain walls, cosmic strings and monopoles. These defects form a network of extended object, which can play an active role in the dynamics of the early universe, such as generating a gravitational wave background (GWB). Remarkably, Pulsar Timing Array (PTA) experiments have recently reported the first evidence of a GWB, making the study of defects particularly timely and relevant. While the PTA excess is most likely of astrophysical origin, an exciting prospect is a GWB of cosmological origin. In this thesis, a GWB generated by cosmic strings in the early universe is studied. In particular, a model of two subsequent phase transitions is considered in which, under certain conditions, metastable cosmic strings can emerge during the second transition. Specifically, metastable strings have a probability to decay through a quantum tunneling process in which monopoles are nucleated along the strings, effectively reducing their lifetime. Within this model, we will perform a classical stability analysis on the string solutions in order to investigate whether they are long lived enough to have any impactful phenomenology. Finally, we discuss the implications of the determined stability conditions on the predicted gravitational wave spectrum, and how it affects the detectability of this scenario in GW experiments, including PTA.

Dit artiekel verkent de fascinerende inzichten over gravitatiegolven en gravitationele lenzing veroorzaakt door cluster van sterren, gelijkaardig aan onze zon. Uit dit onderzoek blijkt dat gravitationele lenzing het geobserveeerde signaal van gravitatiegolven kan versterken.

In mijn thesis werd onderzocht wat de detectielimiet is voor verschillende types supernovae met de geplande Einstein Telescope, gevoelig voor zwaartekrachtsgolven. Verder werd er onderzocht in hoeverre machine learning de verschillende eigenschappen van de supernovae kan achterhalen door te kijken naar hun zwaartekrachtsgolfsignaal. Er werd geconcludeerd dat er niet genoeg supernova modellen bestaan om machine learning op dit moment al toe te passen, maar dat als de training set wel groot genoeg is, dit wel mogelijk moet zijn.

Aan de hand van machine learning algoritmes wordt informatie gehaald uit gesimuleerde waarnemingen van zwaartekrachtsgolven afkomstig van supernovae. Het slagen hiervan bewijst dat het mogelijk is om de nodige zaken te leren uit een detectie, ook al kan er op voorhand geen exact passend model voor worden opgesteld.