Data Analysis Methods for the Ground-based and Space-borne Gravitational Wave Detector Network

Exakt zehn Jahre sind vergangen, seit die Menschheit zum ersten Mal Gravitationswellen (GW) direkt nachgewiesen hat. Zum Ende des dritten Beobachtungslaufs der LIGO-Virgo-KAGRA (LVK) Kollaboration haben wir nahezu 100 GW-Signale von der Verschmelzung kompakter Binärsysteme (CBC) detektiert. Im Laufe des letzten Jahrzehnts haben die wissenschaftlichen und datenanalytischen Methoden im Zusammenhang mit GW große Fortschritte gemacht, jedoch steckt die Gravitationswellen-Wissenschaft noch in den Kinderschuhen. Mit Blick auf die Zukunft sollen in den 2030er Jahren die bodengestützten GW-Detektoren der dritten Generation (wie das Einstein-Teleskop und der Cosmic Explorer) fertiggestellt werden und mit wissenschaftlichen Beobachtungen beginnen, während LISA möglicherweise ein neues Frequenzband im Weltraum erschließen wird. Diese zukünftigen Detektoren werden neue wissenschaftliche Möglichkeiten eröffnen, gleichzeitig aber auch neue Herausforderungen mit sich bringen, was die Entwicklung neuer Datenanalysemethoden erfordert. In dieser Arbeit geben wir zunächst einen Überblick über die GW-Ereignisse bis zum dritten Beobachtungslauf, reproduzieren diese wissenschaftlichen Ergebnisse durch die Analyse öffentlicher Daten und überprüfen die Zuverlässigkeit der Resultate. Anschließend erörtern wir die Herausforderungen, mit denen bodengestützte Detektoren der dritten Generation konfrontiert sein werden. Aufgrund ihrer zehnfach höheren Empfindlichkeit und niedrigeren unteren Frequenzgrenze werden sich CBC-Signale im Zeit-Frequenz-Bereich überlappen, wodurch ein Vordergrundrauschen aus GW-Signalen entsteht. Wir erörtern ausführlich dessen Auswirkungen auf die Matched-Filterung sowie mögliche Strategien zur Reduzierung dieser Einflüsse. Im Anschluss daran diskutieren wir, wie Daten von bodengestützten GW-Detektoren der dritten Generation und dem weltraumgestützten Detektor LISA optimal kombiniert werden können, um Multiband-Beobachtungen von binären Schwarzen Löchern stellarer und mittlerer Masse zu realisieren. Unsere neue kohärente Multiband-Methode kann LISA-Signale mit einem Signal-Rausch-Verhältnis (SNR) von nur 3 analysieren und durchbricht damit den seit langem bestehenden Beobachtungsengpass. Abschließend stellen wir eine flexiblere und effizientere Methode zur Erstellung einer GW-Template-Bank vor und wenden diese auf die Detektion von Signalen supermassereicher binärer Schwarzer Löcher in simulierten LISA-Daten an.