PROJECTS FOR STUDENTS

 

 

Elnyúlt pályájú feketelyuk-kettősök gravitációshullám-jeleinek keresése

 

Kiíró: Raffai Péter (praffai"kukac"bolyai.elte.hu)

 

Einstein általános relativitáselméletének előrejelzése szerint két kompakt csillag közeli elhaladásakor a rendszer gravitációs hullámokat bocsát ki, és ezzel energiát veszít. A kibocsátott energia esetenként olyan mértékű is lehet, hogy a kettősrendszer kötötté válik, és a két kompakt csillag egy elnyúlt pályájú kettősrendszert formál. Elméleti becslések szerint ilyen befogódási folyamat fekete lyukak között számottevő gyakorisággal történik meg galaxismagokban és gömbhalmazokban, ahol a fekete lyukak számsűrűsége elegendően nagy ahhoz, hogy közöttük gyakran történjenek párkölcsönhatások. Előrejelzések alapján elnyúlt pályájú feketelyuk-kettősökből évente 1-100-at is képesek lehetnek észlelni a 2015-től működő, második generációs gravitációshullám-detektorok.

 

Az elnyúlt pályájú kettősök a pericentrum környékén (a tagok legkisebb távolságakor) a legerősebb gravitációshullám-kibocsátók. Az elnyúlt pályájú kettősök ezért gravitációshullám-impulzusok sorozatát fogják kibocsátani a tagok újabb és újabb pericentrum áthaladásakor. A jelsorozat keresése a gravitációshullám-detektorok adatsorában komoly kihívásokkal járó feladat. Célunk, hogy elkészítsük az első olyan algoritmust, ami az ilyen, hosszú impulzussorozatok keresését képes hatékonyan elvégezni. A becsült észlelési gyakoriságok alapján, a feladat sikeres elvégzése azt jelentené, hogy a második generációs detektorok 2015-től kezdődő működési időszakában valódi gravitációshullám-felfedezéshez vezető eszköz kerülhet a birtokunkba.

 

Ajánlott szint: BSc vagy MSc diplomamunka, TDK munka, tudományos publikáció. A projekt több részfeladatra bontható, amelyek a jelentkező érdeklődésének, előképzettségének, és elszántságának megfelelő szinten művelhetők.

 

Szükséges előismeretek: A LIGO-Virgo Collaboration nemzetközi együttműködésben való részvételünk miatt elengedhetetlen a magasszintű angol nyelvtudás. A projekt elvégzéséhez szükséges a MATLAB programozói környezet (legalább elemi szintű) ismerete. Általános relativitáselméleti előképzettség egyáltalán nem szükséges. A gravitációshullám-asztrofizika alapjai, és a gravitációshullám-jelek keresési stratégiái a feladat végzése során is elsajátíthatók.

 

Elvárás: heti rendszerességű konzultáció.

 

 

 

 

Az elnyúlt pályájú kettősrendszerek fizikája

 

Kiíró: Raffai Péter (praffai"kukac"bolyai.elte.hu)

 

Einstein általános relativitáselméletének előrejelzése szerint két kompakt csillag közeli elhaladásakor a rendszer gravitációs hullámokat bocsát ki, és ezzel energiát veszít. A kibocsátott energia esetenként olyan mértékű is lehet, hogy a kettősrendszer kötötté válik, és a két kompakt csillag egy elnyúlt pályájú kettősrendszert formál. Elméleti becslések szerint ilyen befogódási folyamat fekete lyukak között számottevő gyakorisággal történik meg galaxismagokban és gömbhalmazokban, ahol a fekete lyukak számsűrűsége elegendően nagy ahhoz, hogy közöttük gyakran történjenek párkölcsönhatások. Előrejelzések alapján elnyúlt pályájú feketelyuk-kettősökből évente 1-100-at is képesek lehetnek észlelni a 2015-től működő, második generációs gravitációshullám-detektorok.

 

Az elnyúlt pályájú kettősök létrejöttét és fejlődését megadó modellek viszonylag újnak számítanak a gravitációshullám-források modelljei között. Ezekben a modellekben több olyan jelenség is beépíthető még, amik befolyásolhatják e kettősök keletkezési gyakoriságát, fejlődését, és gravitációshullám-kibocsátását. A munkánk során néhány ilyen jelenséggel szeretnénk bővíteni a már létező modelleket, és megvizsgálni ezek hatásai számítógépes (két- ill. többtest-) szimulációk segítségével. Célunk kideríteni, hogyan és milyen mértékben változtatják meg a felvetett jelenségek az elnyúlt pályájú kettősök létrejöttét, a tagok pályáját a mozgásuk során, valamint a kettősrendszer gravitációshullám-jelét.

 

Ajánlott szint: BSc vagy MSc diplomamunka, TDK munka, tudományos publikáció. A feladatvégzés a jelentkező érdeklődésének, előképzettségének, és elszántságának megfelelően többféle szinten is kivitelezhető.

 

Szükséges előismeretek: A LIGO-Virgo Collaboration nemzetközi együttműködésben való részvételünk miatt elengedhetetlen a magasszintű angol nyelvtudás. A feladat elvégzéséhez szükséges a MATLAB programozói környezet, valamint egyes numerikus számolási módszerek (pl. Runge-Kutta módszerek, adaptív rács) legalább elemi szintű ismerete. Az általános relativitáselmélet és matematikai formalizmusának ismerete előny, de nem elvárás.

 

Elvárás: heti rendszerességű konzultáció.

 

 

 

 

Pulzár glitchekkel egyidejű gravitációshullám-jelek keresése

 

Kiíró: Raffai Péter (praffai"kukac"bolyai.elte.hu)

 

A pulzárok nagy mágneses térrel bíró neutroncsillagok, amelyek forgása során mágneses tengelyük szabályos időközönként a Föld felé mutat. A mágneses tengely mozgása elektromágneses impulzusokat kelt, amelyeket a földi rádióteleszkópokkal észlelhetünk. A neutroncsillag szerkezetének hirtelen átrendeződése a tengelyforgási idő, és így az impulzusok periódusidejének ugrásszerű megváltozását okozza, amit a szakirodalom "glitch" nevű jelenségként tárgyal. A pulzár glitchekhez vezető szerkezeti átrendeződés oka és lefolyása ma is aktívan kutatott terület, számtalan eddig megválaszolatlan kérdéssel.

 

Einstein általános relativitáselméletének előrejelzése szerint egy gyors tömegátrendeződés gravitációshullám-kibocsátással jár: a megválaszolatlan kérdésekhez tartozik tehát, hogy a pulzár glitcheket okozó átrendeződések vajon a Földön is észlelhető gravitációshullám-jeleket bocsátanak-e ki, és ha igen, milyen tulajdonságokkal bírhatnak ezek a jelek? A munkánk során sorra vesszük a glitchekhez vezető folyamatokat, azzal a céllal, hogy az azokból származó gravitációshullám-jelek észlelhetőségét megvizsgáljuk. Ezen felül egy olyan keresőprogram kifejlesztését és tesztelését végezzük el, amivel ismert és eddig nem észlelt neutroncsillagok glitch-eseményeivel egyidejű gravitációshullám-jeleket próbálunk majd észlelni a második generációs detektorok 2015-től kezdődő működési időszakában. Utóbbi kutatási feladatot a University of Glasgow egyetemen működő LSC-társcsoporttal szoros együttműködésben végezzük el.

 

Ajánlott szint: BSc vagy MSc diplomamunka, TDK munka, tudományos publikáció. A projekt több részfeladatra bontható, amelyek a jelentkező érdeklődésének, előképzettségének, és elszántságának megfelelő szinten művelhetők.

 

Szükséges előismeretek: A LIGO-Virgo Collaboration nemzetközi együttműködésben való részvételünk miatt elengedhetetlen a magasszintű angol nyelvtudás. A projekt elvégzéséhez szükséges a MATLAB programozói környezet (legalább elemi szintű) ismerete. Általános relativitáselméleti előképzettség egyáltalán nem szükséges. A gravitációshullám-asztrofizika alapjai, és a gravitációshullám-jelek keresési stratégiái a feladat végzése során is elsajátíthatók.

 

Elvárás: heti rendszerességű konzultáció.

 

 

 

 

Optimális földi detektorhálózatok a gravitációshullám-csillagászatban

 

Kiíró: Raffai Péter (praffai"kukac"bolyai.elte.hu)

 

A második generációs (Advanced) gravitációshullám-detektorok a megfigyelő csillagászat új fejezetét nyithatják várhatóan 2015 után. Ilyen detektorok közé tartoznak a jelenleg továbbfejlesztés alatt álló LIGO és Virgo interferométerei, az építés alatt álló japán KAGRA detektor, valamint a tervezett LIGO-India detektor is. A gravitációs hullámok első közvetlen észlelésével várhatóan további igény jelentkezik majd olyan (harmadik generációs) földi detektorok építésére is, mint amilyen a kidolgozott tervdokumentummal bíró Einstein Telescope is.

 

A gravitációshullám-detektorok közel a teljes éggömbből képesek jelek észlelésére, érzékenységük azonban erősen irányfüggő. A Föld forgó és keringő mozgásai miatt e detektorok időben is változó érzékenységgel fedik le a különböző égi irányokat. Munkánk során célunk, hogy a jövőben megépülő földi gravitációshullám-detektorok optimális és reális térbeli konfigurációit megtaláljuk. Az optimalizációval elsősorban arra törekszünk, hogy a jövőben működő detektorhálózatok a kombinált irányérzékenységükkel a lokális Univerzum időben és térben vett legjobb lefedését adják. Az optimalizációnkkal így maximalizálni kívánjuk e detektorhálózatok jelészlelési esélyeit, és képességüket a jelforrások fizikai paramétereinek megállapítására.

 

Ajánlott szint: BSc vagy MSc diplomamunka, TDK munka, tudományos publikáció.

 

Szükséges előismeretek: A LIGO-Virgo Collaboration nemzetközi együttműködésben való részvételünk miatt elengedhetetlen a magasszintű angol nyelvtudás. A projekt elvégzéséhez szükséges a MATLAB programozói környezet (legalább elemi szintű) ismerete. Általános relativitáselméleti előképzettség egyáltalán nem szükséges. A gravitációshullám-asztrofizika alapjai, és a gravitációshullám-jelek keresési stratégiái a feladat végzése során is elsajátíthatók.

 

Elvárás: heti rendszerességű konzultáció. 

 

 

 

 

Spindominált feketelyuk-kettősök gravitációshullám-jeleinek keresése

 

Kiíró: Raffai Péter (praffai"kukac"bolyai.elte.hu)

 

Einstein általános relativitáselméletének előrejelzése szerint két, egymás körül keringő fekete lyuk gravitációs hullámokat bocsát ki. Ha az egyik fekete lyuk tömege a másiknak 30-140-szerese, úgy a rendszer mozgását a nagyobbik tömegű fekete lyuk forgása (spinje) jelentős mértékben befolyásolja. Az ilyen feketelyuk-kettősök által kibocsátott gravitációshullám-jelek családját spindominált hullámformáknak nevezzük.

 

Elméleti előrejelzések szerint a spindominált hullámformák frekvenciája akár több tíz másodpercen keresztül is az Advanced LIGO detektorok érzékeny tartományában lehet. Az ilyen időskálájú jeleket hosszú gravitációshullám-tranzienseknek nevezzük, megkülönböztetve őket a másodpercnél rövidebb, és az állandóan jelenlévő gravitációshullám-jelektől. A hosszú tranziensek észlelésére a kutatócsoportunk részvételével fejlesztette ki a LIGO Kollaboráció a STAMP keresőprogramot, ami detektorpárok adatainak egyidejű kiértékelésével, idő-frekvencia térképeken végzi a hosszú tranziensek keresését.

 

Célunk, hogy megvizsgáljuk a spindominált hullámformák észlelhetőségét a STAMP keresőprogrammal, az Advanced LIGO detektorok 2015-től kezdődő működési időszakára vetítve. A feladatra specializált STAMP keresőprogram teszteléséhez a spindominált hullámformákat generálni képes program már a rendelkezésünkre áll. A teszteredményeink és a kidolgozott keresési stratégia birtokában szeretnénk előirányozni a keresés megvalósítását már korábban összegyűlt, vagy a közeljövőben rendelkezésre álló detektoradatok felhasználásával.

 

Ajánlott szint: MSc diplomamunka, tudományos publikáció.

 

Szükséges előismeretek: A LIGO-Virgo Collaboration nemzetközi együttműködésben való részvételünk miatt elengedhetetlen a magasszintű angol nyelvtudás. A projekt elvégzéséhez szükséges a MATLAB programozói környezet (legalább elemi szintű) ismerete. Az általános relativitáselmélet és matematikai formalizmusának ismerete előny, de nem elvárás. A gravitációshullám-asztrofizika alapjai, és a gravitációshullám-jelek keresési stratégiái a feladat végzése során is elsajátíthatók.

 

Elvárás: heti rendszerességű konzultáció.

 

 

 

 

Alacsonyfrekvenciás akusztikus zajok kiszűrése gravitációshullám-detektorok adataiból

 

Kiíró: Raffai Péter (praffai”kukac”bolyai.elte.hu)

 

Az Einstein által 100 évvel ezelőtt megjósolt gravitációs hullámok felfedezése (a PTA-projekt mellett) az Egyesült Államokban működő LIGO detektoroktól várható a következő néhány évben. A detektorok két, egymástól 4+4 kilométerre levő tükör távolságának megváltozását mérik, soha nem látott, 10^-18 méteres pontossággal (ez egy proton átmérőjének közelítőleg az ezredrésze). Az észlelés egyik nagy technikai kihívása a környezeti zavarok kiszűrése.

 

A zajhatások által okozott téves észlelések beazonosítására egy automatizált monitorozó rendszer szolgál, ami számos környezeti hatást figyel folyamatosan. A kutatócsoportunk e rendszer számára fejlesztett ki egy olyan differenciális nyomásmérő eszközt (mikrofont), ami a LIGO detektorokat potenciálisan megzavarni képes, levegőben terjedő, alacsonyfrekvenciás nyomáshullámokat észleli. Több mikrofonunk mér jelenleg is az Egyesült Államokban  (például a Nobel-díjas kísérletéről ismert Homestake bányában, Dél-Dakotában), 2013 őszén pedig mindkét LIGO obszervatóriumban egy teljes mikrofonrendszert építünk ki.

 

Jelenleg az LIGO detektorokat potenciálisan befolyásoló, levegőben terjedő alacsonyfrekvenciás nyomáshullámok kísérleti vizsgálata fontos feladat. A munkánk során az eddig összegyűjtött mikrofonadatok kiértékelésével állandó és átmeneti környezeti zajokat azonosítunk, amiből megbecsüljük a detektort ténylegesen érő akusztikus zajhátteret. Az adatok segítségével megállapítjuk a mikrofonjaink és a LIGO detektorok kimenetei közötti átviteli függvényt, ami lehetővé tenné az akusztikus hatások kiszűrését a LIGO detektorok kimeneti adatából. Célunk, hogy a többmikrofonos rendszerünk adatainak birtokában, valamint az átviteli függvény ismeretében a gravitációshullám-észlelést korlátozó akusztikus zajokat a LIGO detektorok adatsorából kiszűrjük.

 

Ajánlott szint: A kutatást a fizika és a környezettan iránt érdeklődő hallgatóknak egyaránt ajánljuk. Elsődleges célunk tudományos publikációt készíteni, de a feladat művelhető diplomamunkaként vagy TDK munkaként is.

 

Szükséges előismeretek: A LIGO-Virgo Collaboration nemzetközi együttműködésben való részvételünk miatt elengedhetetlen a magasszintű angol nyelvtudás. A projekt elvégzéséhez szükséges a MATLAB programozói környezet (legalább elemi szintű) ismerete, valamint jártasság a matematikai statisztika és a jelfeldolgozás fogalmaiban (pl. hisztogram, valószínűség-eloszlások, Fourier-spektrum).

 

Elvárás: heti rendszerességű konzultáció.

 

 

 

 

Infrahangdetektorok hálózatának fejlesztése gravitációshullám-detektorok környezetmonitorozó rendszerei számára

 

Kiíró: Raffai Péter (praffai”kukac”bolyai.elte.hu)

 

Az Einstein által 100 évvel ezelőtt megjósolt gravitációs hullámok felfedezése (a PTA-projekt mellett) az Egyesült Államokban működő LIGO detektoroktól várható a következő néhány évben. A detektorok két, egymástól 4+4 kilométerre levő tükör távolságának megváltozását mérik, soha nem látott, 10^-18 méteres pontossággal (ez egy proton átmérőjének közelítőleg az ezredrésze). Az észlelés egyik nagy technikai kihívása a környezeti zavarok kiszűrése.

 

A zajhatások által okozott téves észlelések beazonosítására egy automatizált monitorozó rendszer szolgál, ami számos környezeti hatást figyel folyamatosan. A kutatócsoportunk e rendszer számára fejlesztett ki egy olyan differenciális nyomásmérő eszközt (mikrofont), ami a LIGO detektorokat potenciálisan megzavarni képes, levegőben terjedő, alacsonyfrekvenciás nyomáshullámokat észleli. Több mikrofonunk mér jelenleg is az Egyesült Államokban  (például a Nobel-díjas kísérletéről ismert Homestake bányában, Dél-Dakotában), 2013 őszén pedig mindkét LIGO obszervatóriumban egy teljes mikrofonrendszert építünk ki.

 

Saját fejlesztésű mikrofonunk már jelenleg is jól használható adatokat állít elő, és része a LIGO környezetmonitorozó rendszerének. A mért adatok pontosabb megértése azonban fontos feladat a felhasználási lehetőségek bővítésében és a műszer további javításában. A munka során célunk egy széles frekvenciatartományban működő kalibrációs módszer kifejlesztése, valamint a műszer elektronikus zajának modellezése és pontos kimérése. További céljaink között szerepel a mikrofonokat érő szélzajok csökkentését célzó módszer kidolgozása, melyhez a szélzaj lokális tulajdonságait szükséges kimérni a rendelkezésünkre álló mikrofonokkal.

 

Ajánlott szint: A kutatást a fizika és a környezettan iránt érdeklődő hallgatóknak egyaránt ajánljuk. Elsődleges célunk tudományos publikációt készíteni, de a feladat művelhető diplomamunkaként vagy TDK munkaként is.

 

Szükséges előismeretek: A LIGO-Virgo Collaboration nemzetközi együttműködésben való részvételünk miatt elengedhetetlen a magasszintű angol nyelvtudás. A projekt elvégzéséhez szükséges a MATLAB programozói környezet (legalább elemi szintű) ismerete, valamint jártasság a matematikai statisztika és a jelfeldolgozás fogalmaiban (pl. hisztogram, valószínűség-eloszlások, Fourier-spektrum).

 

Elvárás: heti rendszerességű konzultáció.

 

 

 

 

   
  (c) Eötvös Gravity Research Group 2007