Pulsar discoveries by volunteer distributed computing and the strongest continuous gravitational wave signal [Elektronische Ressource] / Benjamin Knispel

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Pulsar Discoveries by Volunteer Distributed Computingand the Strongest Continuous Gravitational Wave SignalVon der Fakultät für Mathematik und Physikder Gottfried Wilhelm Leibniz Universität Hannoverzur Erlangung des GradesDoktor der NaturwissenschaftenDr. rer. nat.genehmigte DissertationvonDipl.-Phys. Benjamin Knispelgeboren am 23. Februar 1983 in Großburgwedel2011Referent: Herr Prof. Dr. Bruce AllenKorreferent: Herr Prof. Dr. Michael KramerTag der Promotion: 04. Juli 2011“Those waves will open up to us many vistas unknown to man, and several unknownto anything we consider organic life. (. . . ) We shall see these things, and other thingswhich no breathing creature has yet seen. We shall overleap time, space, and dimensions,and without bodily motion peer to the bottom of creation.”H. P. Lovecraft, From BeyondAbstractNeutron stars are the endpoints of stellar evolution and one of the most compact forms ofmatter in the universe. They can be observed as radio pulsars and are promising sourcesfor the emission of continuous gravitational waves. Discovering new radio pulsars in tightbinary orbits oers the opportunity to conduct very high precision tests of General Relati-vity and to further our understanding of neutron star structure and matter at super-nucleardensities. The direct detection of gravitational waves would validate Einstein’s theory ofRelativity and open a new window to the universe by oering a novel astronomical tool.

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Published 01 January 2011
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Pulsar Discoveries by Volunteer Distributed Computing
and the Strongest Continuous Gravitational Wave Signal
Von der Fakultät für Mathematik und Physik
der Gottfried Wilhelm Leibniz Universität Hannover
zur Erlangung des Grades
Doktor der Naturwissenschaften
Dr. rer. nat.
genehmigte Dissertation
von
Dipl.-Phys. Benjamin Knispel
geboren am 23. Februar 1983 in Großburgwedel
2011Referent: Herr Prof. Dr. Bruce Allen
Korreferent: Herr Prof. Dr. Michael Kramer
Tag der Promotion: 04. Juli 2011“Those waves will open up to us many vistas unknown to man, and several unknown
to anything we consider organic life. (. . . ) We shall see these things, and other things
which no breathing creature has yet seen. We shall overleap time, space, and dimensions,
and without bodily motion peer to the bottom of creation.”
H. P. Lovecraft, From BeyondAbstract
Neutron stars are the endpoints of stellar evolution and one of the most compact forms of
matter in the universe. They can be observed as radio pulsars and are promising sources
for the emission of continuous gravitational waves. Discovering new radio pulsars in tight
binary orbits oers the opportunity to conduct very high precision tests of General Relati-
vity and to further our understanding of neutron star structure and matter at super-nuclear
densities. The direct detection of gravitational waves would validate Einstein’s theory of
Relativity and open a new window to the universe by oering a novel astronomical tool.
This thesis addresses both of these scientific fields: the first fully coherent search for ra-
dio pulsars in tight, circular orbits has been planned, set up and conducted in the course
of this thesis. Two unusual radio pulsars, one of them in a binary system, have been disco-
vered. The other half of this thesis is concerned with the simulation of the Galactic neutron
star population to predict their emission of continuous gravitational waves. First realistic
statistical upper limits on the strongest continuous gravitational-wave signal and detection
predictions for realistic all-sky blind searches have been obtained.
The data from a large-scale pulsar survey with the 305-m Arecibo radio telescope were
searched for signals from radio pulsars in binary orbits. The massive amount of computa-
tional work was done on hundreds of thousands of computers volunteered by members
of the general public through the distributed computing project Einstein@Home. The new-
ly developed analysis pipeline searched for pulsar spin frequency below 250 Hz and for
orbital periods as short as 11 min. The structure of the search pipeline consisting of data
preparation, data analysis, result post-processing, and set-up of the pipeline components is
presented in detail.
The first radio pulsar, discovered with this search, PSR J2007+2722, is an isolated radio
pulsar, likely from a double neutron star system disrupted by the second supernova. We
present discovery and initial characterisation using observations from five of the largest
radio telescopes worldwide. Only a dozen similar systems were previously known.
The second discovered radio pulsar, PSR J1952+2630, is in a 9.4-hr orbit with most likely a
massive white dwarf of at least 0:95 M . We characterise its orbit by analysis of the apparent
spin period changes. This pulsar most likely belongs to the very rare class of intermediate-
mass binary pulsars, from which only five systems were previously known. It is a promising
target for the future measurement of relativistic eects.
In the second half of this thesis, the emission of continuous gravitational waves from a
Galactic population of neutron stars is studied. For the first time, realistic estimates of the
statistical upper limit of the expected gravitational wave signal are obtained, improving
previous estimates by about a factor of six. The simulation is used to obtain for the first
time detectability predictions for these objects with ground based gravitational wave de-
tectors and realistic blind searches. It is also shown how to improve possible searches by
maximising the number of detections for a fixed amount of computation cycles.
keywords: radio pulsars, data analysis, gravitational wavesKurzfassung
Neutronensterne sind die Endzustände stellarer Evolution und stellen eine der kompak-
testen Materieformen im Universum dar. Sind sind als Radiopulsare beobachtbar und gel-
ten als vielversprechende Quellen für die Abstrahlung kontinuierlicher Gravitationswellen.
Die Entdeckung neuer Radiopulsare in engen Doppelsternsystemen bietet die Möglichkeit,
hochgenaue Test der Allgemeinen Relativitätstheorie durchzuführen und unser Verständ-
nis des Neutronensternaufbaus und der Materie bei supernuklearen Dichten zu erweitern.
Die direkte Messung von Gravitationswellen würde Einsteins Relativitätstheorie bestätigen
und ein neues Beobachtungsfenster zum Universum aufstoßen.
Diese Arbeit beschäftigt sich mit beiden erwähnten Wissenschaftsbereichen: die erste,
vollkommen kohärente Suche nach Pulsaren in engen Kreisbahnen wurde im Rahmen die-
ser Arbeit geplant, aufgebaut und durchgeführt. Zwei ungewöhnliche Radiopulsare wur-
den entdeckt, von denen sich einer in einem Binärsystem befindet. Die zweite Hälfte der
Arbeit beschäftigt sich mit der Simulation der galaktischen Neutronensternpopulation, um
deren Abstrahlung kontinuierlicher Gravitationswellen zu untersuchen. Erste realistische
obere Grenzen für das statistisch stärkste kontinuierliche Gravitationswellensignal und De-
tektionsvorhersagen für realistische Gesamthimmelsuchen wurden berechnet.
Daten einer Pulsardurchmusterung mit dem 305-m Arecibo-Radioteleskop wurden nach
Binärpulsaren durchsucht. Der gewaltige Rechenaufwand wird von hunderttausenden
Computern erbracht, die Freiwillige über das verteilte Rechenprojekt Einstein@Home zur
Verfügung stellen. Die Analysemethode suchte nach Pulsaren mit Frequenzen unter 250 Hz
und Bahnperioden länger als 11 min. Der Aufbau der Suche aus Datenvorbereitung, -
analyse, Analyse der Ergebnisse, und die einzelnen Komponenten werden dargestellt.
Der zuerst entdeckte Radiopulsar, PSR J2007+2722, ist ein isolierter Radiopulsar, vermut-
lich hervorgegangen aus einem Doppelneutronensternsystem, das von der zweiten Super-
nova zerrissen wurde. Wir präsentieren die Entdeckung und eine erste Charakterisierung
mit fünf der weltweit größten Radioteleskope. Nur zwölf ähnliche Radiopulsare waren zu-
vor bekannt.
Der als zweites entdeckte Pulsar, PSR J1952+2630, befindet sich einer 9.4-Stunden-Bahn
mit höchstwahrscheinlich einem massereichen Weissen Zwerg von mindestens 0:95 M . Die
Bahn wird durch Analyse der scheinbaren Drehfrequenz charakterisiert. Dieser Pulsar ge-
hört zur einer seltenen Klasse von Binärpulsaren, von denen zuvor nur fünf andere Objekte
bekannt waren. Er ist ein vielversprechendes Ziel für die Messung relativistischer Eekte.
In der zweiten Hälfte der Arbeit wird die Abstrahlung kontinuierlicher Gravitationswel-
len von einer galaktischen Neutronensternpopulation betrachtet. Zum ersten Mal werde
realistische Abschätzungen des statistisch stärksten kontinuierlichen Gravitationswellensi-
gnals errechnet, die um einen Faktor sechs unter vorherigen Werten liegen. Mit der Simu-
lation erhalten wir zum zum ersten Mal realistische Detektionsvorhersagen für realistische
Gesamthimmelsuchen mit irdischen Gravitationswellendetektoren. Außerdem zeigen wir
auf, wie mögliche Suchen durch die Maximierung der Detektionsanzahl für gegebenen Re-
chenaufwand verbessert werden können.Schlagworte: Radiopulsare, Datenanalyse, Gravitationswellen
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