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Development and Application of Seismological Techniques for the Analysis of Gravitational Waves Signals in LISA

Applicant Giardini Domenico
Number 185051
Funding scheme Project funding
Research institution Institut für Geophysik ETH Zürich
Institution of higher education ETH Zurich - ETHZ
Main discipline Astronomy, Astrophysics and Space Sciences
Start/End 01.10.2019 - 30.09.2023
Approved amount 829'447.00
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Keywords (4)

Gravitational Waves; LISA; Data Analysis; Seismology

Lay Summary (German)

Lead
Wir wollen signaltheoretische Methoden, die zur Detektion kleiner Erdbeben, Hangrutsche und Lawinen entwickelt wurden, auf die Datensätze von bestehenden und zukünftigen Gravitationswellen-Detektoren erweitern.
Lay summary

An 14. September 2015 begann mit der Beobachtung einer Kollision zweier Schwarzer Löcher durch das LIGO (Laser Interferometer Gravitational Observatory) die Ära der Gravitationsastronomie. Am 17. August 2017 wurde dann zum ersten Mal die Kollision zweier Neutronensterne mit Graviationswellen und herkömmlichen Teleskopen gleichzeitig beobachtet. Seitdem wurden über zehn Kollisionsereignisse durch LIGO und das Schwesterinstrument VIRGO erfasst. Aus den bisherigen Ereignisse konnten tausende Wissenschaftler auf der ganzen Welt wertvolle physikalische Erkenntnisse gewinnen.

Parallel dazu hat die Europäische Raumfahrtagentur ESA im Jahre 2015 mit der LISA Pathfinder-Mission demonstriert, dass ein erheblich grösseres Gravitationswellenteleskop im Weltraum gebaut werden könnte. Dieses wird unter dem Namen LISA (Laser Interferometric Space Antenna) zur Zeit entwickelt und Anfang der 2030-er Jahre in den Weltraum geschossen. LISA wird erheblich empfindlicher sein als LIGO und VIRGO und insbesondere tieffrequentere Signale empfangen können. Während LIGO und VIRGO die hochfrequenten Töne von Ereignissen aufzeichnet, wird LISA das kosmische Hintergrundsignal messen: Paare von Schwarzen Löchern, supermassiven Sternen oder Neutronensterne lange vor ihrer Kollision. Ziel ist es, diese Objekte zu erfassen, ihren Abstand und Umlaufzeiten zu bestimmen und sie zu kartieren, um so ein Bild der "unsichtbaren" Sternensysteme in unserer Galaxie zu erhalten.

Auf eine gewisse Weise wird LISA im Weltraum wiederholen, was Geophysiker und speziell Seismologen auf der Erde seit einem Jahrhundert erprobt haben: Diffuse und überlappende Signalquellen trennen, kleine Ereignisse detektieren und charakterisieren und beides über einen Frequenzbereich von 5 Grössenordnungen (Perioden von Stunden bis Sekunden). Unser Projekt verbindet erfahrene Seismologen mit Astrophysikern, um etablierte geophysikalische Signalerkennungsmethoden auf die zu erwartenden LISA Daten anzuwenden. Dabei arbeiten wir eng mit den Entwicklern, des LISA Mock Data Challenge zusammen, dem synthetischen Community-Referenzdatensatz.

Das Projekt soll helfen, Methoden interdisziplinär auszutauschen. Methoden die in der Seismologie seit einem Jahrhundert verfeinert wurden, sollen der Astrophysik zur Verfügung gestellt werden, gleichzeitig wird die Detektion von Erdbeben von Methoden aus der Astrophysik profitieren.
Direct link to Lay Summary Last update: 01.10.2019

Responsible applicant and co-applicants

Employees

Project partner

Associated projects

Number Title Start Funding scheme
162449 Science of measurement from LISA Pathfinder to space-based gravitational waves observatories 01.10.2016 Project funding
197366 Characterizing and understanding Enhanced Geothermal Systems (EGS) - novel tools and applications in a deep underground laboratory 01.04.2021 Project funding

Abstract

On September 14th, 2015, the collision of a pair of black holes, reported by the Laser Interferometer Gravitational Observatory (LIGO), has initiated the era of the gravitational waves (GW) astronomy. A second event, the detection of the GW from the collision of a pairs of neutron starts, on August 17th, 2017, has been the first cosmic event to be observed with GW and light. In between those two events LIGO and VIRGO observatories have reported four more detections of GW from the collision of black holes binaries. Those events have already provided plenty of precious physical information, and stimulated the work of thousands of scientists all around the World. In December 2015, the European Space Agency (ESA) has launched the LISA Pathfinder mission that, performing well beyond expectations, has clearly demonstrated the technological readiness for the implementation of a GW observatory in space. Such an observatory, the Laser Interferometer Space Antenna (LISA), will be launched by ESA in the early 2030s and the design and the development have already started in 2017. LISA will be an extraordinarily sensitive instrument, with the capability of detecting GW from sources distributed around the whole universe.In some ways, LISA can be considered as a seismometer in space. A seismometer detects waves produced by earthquakes on a planet, LISA is going to detect waves produced by “cosmos quakes” in the universe. The measuring principle is basically as the one of a seismometer, i.e. sensing the motion of a test mass. Similarly to seismological instruments, LISA recordings are going to be dominated by signal as its instrumental noise will be well below a confusion noise generated by millions of weak sources of gravitational waves located mainly in our galaxy.With the motivation of exploiting the analogies between seismological and GW sensing, the present project aims at creating a bridge between the scientific communities of gravitational waves astrophysicists and earth scientists. The project will explore the possibility of applying research methodology and data analysis procedures that are routinely used in seismology to the analysis of LISA data. Of particular interest is the detection and the analysis of transient signals, the analysis and classification of lasting signals from hundreds of thousands of sources in our galaxy and the exploration of the confusion noise from millions of weak sources. The PI and Co-Is combine state of the art knowledge and competences in Seismology as well as Gravitational Waves Physics and data analysis. Moreover, with the aim of demonstrating the feasibility of the proposed activities, we report on the results from a Master thesis on investigating the application of the Multiple Signal Classification (MUSIC) algorithm to the estimation of the ecliptic latitude of a galactic binary system from LISA data. In addition, the group in Zurich has a long lasting history of collaboration with the group of Prof. Jetzer at University of Zurich. The activity proposed here will greatly benefit from this collaboration and the close interaction with the members of Prof. Jetzer’s group.
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