Standard szirénák

1. Standard szirénák Gravitációs hullámok és a kozmológia Kocsis Bence PhD diák, ELTE Atomfizika Tsz. Témavezetők: Frei Zsolt Haiman Zoltán Menou, Kristen

2. Sötét Energia Sötét Anyag

3. Az előadás vázlata • Gravitációs hullámok és detektorok • Szupermasszív fekete lyukak • Standard szirénák azonosítása • Következtetések

4. Gravitációs hullámok és detektorok

5. Gravitációs hullámok • Téridő disztorzió • Fénysebességgel terjed • Relatív megnyúlás • Távolsággal 1/r szerint csökken • Kétféle polarizáció

6. Gravitációs hullámok levezetése • Einstein egyenletek • Téridő görbületi tenzor • Energia-impulzus tenzor • Gyenge tér közelítés vákuumban • Metrikus tenzor közel Minkowski • Energia-impulzus tenzor zérus • Perturbációra a hullámegyenletet kapjuk • Mértékszabadság miatt a legáltalánosabb alak:

7. Miért fontosak a gravitációs hullámok? • Egy új ablak az univerzumra • Közvetlenül a tömegről kapunk információt • Neutroncsillag/fehér törpe/csillagmorzsolás szupermasszív fekete lyukak közelében árapályerők hatására • Fekete lyuk és/vagy neutroncsillag kettős rendszerekegymásba spirálozása és összeolvadása • Pulzárok • Szupernovák • Gamma kitörések • Sztohasztikus háttér • Kozmológiai távolságú források észlelhetők

8. Egy új ablak az univerzumra

9. Gravitációs hullámok és a kozmológia

10. Gravitációs hullám detektorok működési elve • Fábry-Perot lézer interferométer • Zaj karakterisztikát meghatározó faktorok ismertek

11. Virgo GEO LIGO TAMA AIGO Gravitációs hullám detektorok a Földön

12. Gravitációs hullám detektorok a világűrben ALIAS 2020 LISA 2015 BBO 2025 DECIGO 2025

13. Érzékenységi görbék Relatív megnyúlás Frekvencia [Hz]

14. Szupermasszív fekete lyukak

15. SMBH?? • Jelenleg minden óriás spirálgalaxis közepén • Tejút: M ~ 3x10^9 M_Sun • Galaxisok keletkezésekor z~20 körül jönnek létre a kezdeti magok • eredetileg a galaxisok kis százalékában • sokkal kisebb tömegűek • Megfigyelés • aktív galaxismag luminozitása • sebességdiszperzió • emissziós vonal kiszélesedés • csillag trajektóriák

16. SMBH ütközés fázisai • Galaxisütközés (~Mpc) • Csillag szóródás (kpc  pc?) • „loss cone” tartományba kerülő csillagok csökkentik az impulzusmomentumot • Gáz dinamikus ellenállás (kpc  pc?) • követő sűrűsödéshullám forgatónyomatékot gyakorol • Gravitációs hullámok (1 pc ütközés) • Impulzusmometumot hordoz Nyitott kérdések: • Az utolsó parsec probléma • Milyen elektromágneses sugárzás? • Gravitációs kilökődés?

17. Esemény gyakoriság Menou, Haiman, & Narayan (2001, ApJ 558, 535)

18. Az utolsó pc • Az utolsó pc alatt gravitációs sugárzás hatékony • Gravitációs visszahatás • Gravitációs hullámok amplitudója nő • Frekvencia csökken

19. Vajon mik az elektromágneses megfelelők? • Galaxis? • Ultraluminous Infrared Galaxy (ULIRG)? • Kvazár? • Röntgen kvazár? • Gyorsan változó luminozitás? Konkrét jellemzők • Üreges tányér? • Kilökődés? (GW rakéta) • Prompt lökéshullám? • Röntgen utófénylés? Kamossa et al. 2003

20. Standard szirénák azonosítása

21. Égi koordináták Tömegek Luminozitási táv. Pályaelemek Spinek Az elektromágneses megfelelő azonosítása GW EM Égi koordináták EM luminozitás Vöröseltolódás Spektrum, változékonyság,stb. A counterpart azonosítása

22. A counterpart azonosítása • A LISA-val konzisztens tartomány körülhatárolása • Hány darab kvazár? • Melyikőjük az igazi megfelelő? • Ha szerencsénk van akkor pont csak 1 kvazár lesz a megengedett tartományban!

23. Gravitációs hullámok – paraméterbecslés I. • GW adatok minden irányból jövő jelet egyszerre tartalmazza • Ismert hullámformák matched filtering keresése • Nagy jel-zaj arányú sablonok kiválasztása • A hullámforma paramétereinek finom hangolása • Parameter becslés pontossága Vecchio 2004, PRD

24. Marginalizált hibák Főkomponensek Gravitációs hullámok – paraméterbecslés II. • Valójában a paraméterek között korrelációk lehetnek • Az irány a Nap körüli keringés modulációjából • Nem várható az utolsó nap alatt szignifikáns javulás • A LISA gravitációs hullám jelet diszkrét Fourier sorba fejtjük • A várható paraméterhibát a Fisher mátrixból becsülhetjük • Ezzel megkapjuk a paramétertérben a hiba ellipszoidot

25. A vöröseltolódás lokalizációja • Luminozitási távolság (közvetlen GW megfigyelhető)  vöröseltolódás • Kozmológial paraméterek • Pekuliáris sebességek • Gravitációs lencsézés • Mindezen mennyiség BIZONYTALAN!

26. A vöröseltolódás becslése White & Hu 2000; Smith et al. 2003 500 km/s Wang et al. 2005 A versenyelemzést ismertető helyek vagy ügyintézők (vagy egyéb kapcsolódó dokumentumok) jegyzéke Kocsis, Frei, Haiman, & Menou, ApJ 2006

27. A gyenge lencse torzítások korrigálása • Háttér galaxisnyírás korreláció  max kb 20% korrekció (Dalal et. al. 2003) • Az előtér tömegeloszlás közvetlen feltérképezése  további max kb 20% korrekció Relatív korrekció

28. A vöröseltolódás becslése White & Hu 2000; Smith et al. 2003 500 km/s Wang et al. 2005 A versenyelemzést ismertető helyek vagy ügyintézők (vagy egyéb kapcsolódó dokumentumok) jegyzéke Kocsis, Frei, Haiman, & Menou, ApJ 2006

29. A megfelelő azonosítása • Hány kvazár jelölt található? • A kvazár luminozitási függvényből számítható • L ~ 0.3 LEdd(M) (Kollmeier et al 2005, Hopkins et al. 2006) • LISA 3D tartománynak megfelelő térfogat • Kozmológial térfogatelem figyelembevétele • Inhomogén eloszlás figyelembevétele 3-60 Mpc 60-70 Mpc (z=1)

30. Eredmények Lehetséges kvazár megfelelők száma SMBH Tömeg

31. Keresési stratégia • Keresés a létező nagy-skálás felmérések alapján • Célzott megfigyelés nagy látómezejű távcsővel • Változékonyság keresése a behatárolt tartományban • Már napokkal az ütközés előtt elég pontosan meghatározza a forrás irányát a LISA?

32. Mennyi idővel az ütközés előtt csökken az iránybecslés hibája 1 fok alá? • Adott t időre az addig összegyűlt jel/zaj aránnyal skálázva a hibákat: Tömeg Vöröseltolódás

33. Standard szirénák detektálásának következményei National Center for Supercomputing Applications (NCSA)

34. Égi koordináták Tömegek Luminozitási táv. Pályaelemek Spinek Eddington arány Eddington ratio Kozmológia (standard sziréna) BH & akkréció fizika Koincidens megfigyelés következményei GW EM Égi koordináták EM luminozitás Vöröseltolódás Spektrum, változékonyság,stb. A counterpart azonosítása

35. Eddington arány • Jelenleg bizonytalan empirikus korrelációk alapján (Kollmeier et al. astro-ph/0508657) • 0.1 < L/L_Edd < 1 SMBH Tömeg Luminozitás Standard szirénákkal % pontosan mérhető!

36. Kozmológiai paraméterhibák Sötét energia állapotegyenlete Sötét anyag sűrűsége

37. Fekete lyuk és akkréciós fizika • Jelenleg csak nagyon leegyszerűsített esetekben (Armitage & Natarayan 2002, Milosavljevic & Phinney 2005) • excentricitás, spinek, és kilökődés nélkül • speciális tömegarányokra

38. Összefoglalás • Gravitációs hullámok 10 éven belül alkalmazhatóak a csillagászatban • Standard szirénák azonosíthatók lesznek a LISA-val • ha kvazár aktivitáshoz köthető • ha EM luminozitás és változékonyság szignifikáns • Óriási előrelépés az asztrofizikában