PROJECTS FOR STUDENTS

 

 

Elnyúlt pályájú feketelyuk-kettõsök gravitációshullám-jeleinek keresése

 

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

 

Einstein általános relativitáselméletének elõrejelzése szerint két kompakt csillag közeli elhaladásakor a rendszer gravitációs hullámokat bocsát ki, és ezzel energiát veszít. A kibocsátott energia esetenként olyan mértékû is lehet, hogy a kettõsrendszer kötötté válik, és a két kompakt csillag egy elnyúlt pályájú kettõsrendszert formál. Elméleti becslések szerint ilyen befogódási folyamat fekete lyukak között számottevõ gyakorisággal történik meg galaxismagokban és gömbhalmazokban, ahol a fekete lyukak számsûrûsége elegendõen nagy ahhoz, hogy közöttük gyakran történjenek párkölcsönhatások. Elõrejelzések alapján elnyúlt pályájú feketelyuk-kettõsökbõl évente 1-100-at is képesek lehetnek észlelni a 2015-tõl mûködõ, második generációs gravitációshullám-detektorok.

 

Az elnyúlt pályájú kettõsök a pericentrum környékén (a tagok legkisebb távolságakor) a legerõsebb gravitációshullám-kibocsátók. Az elnyúlt pályájú kettõsök 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 elsõ 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-tõl kezdõdõ mûködési idõszakában valódi gravitációshullám-felfedezéshez vezetõ eszköz kerülhet a birtokunkba.

 

Ajánlott szint: BSc vagy MSc diplomamunka, TDK munka, tudományos publikáció. A projekt több részfeladatra bontható, amelyek a jelentkezõ érdeklõdésének, elõképzettségének, és elszántságának megfelelõ szinten mûvelhetõk.

 

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

 

Elvárás: heti rendszerességû konzultáció.

 

 

 

 

Az elnyúlt pályájú kettõsrendszerek fizikája

 

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

 

Einstein általános relativitáselméletének elõrejelzése szerint két kompakt csillag közeli elhaladásakor a rendszer gravitációs hullámokat bocsát ki, és ezzel energiát veszít. A kibocsátott energia esetenként olyan mértékû is lehet, hogy a kettõsrendszer kötötté válik, és a két kompakt csillag egy elnyúlt pályájú kettõsrendszert formál. Elméleti becslések szerint ilyen befogódási folyamat fekete lyukak között számottevõ gyakorisággal történik meg galaxismagokban és gömbhalmazokban, ahol a fekete lyukak számsûrûsége elegendõen nagy ahhoz, hogy közöttük gyakran történjenek párkölcsönhatások. Elõrejelzések alapján elnyúlt pályájú feketelyuk-kettõsökbõl évente 1-100-at is képesek lehetnek észlelni a 2015-tõl mûködõ, második generációs gravitációshullám-detektorok.

 

Az elnyúlt pályájú kettõsök létrejöttét és fejlõdését megadó modellek viszonylag újnak számítanak a gravitációshullám-források modelljei között. Ezekben a modellekben több olyan jelenség is beépíthetõ még, amik befolyásolhatják e kettõsök keletkezési gyakoriságát, fejlõdését, és gravitációshullám-kibocsátását. A munkánk során néhány ilyen jelenséggel szeretnénk bõvíteni a már létezõ 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 kettõsök létrejöttét, a tagok pályáját a mozgásuk során, valamint a kettõsrendszer gravitációshullám-jelét.

 

Ajánlott szint: BSc vagy MSc diplomamunka, TDK munka, tudományos publikáció. A feladatvégzés a jelentkezõ érdeklõdésének, elõképzettségének, és elszántságának megfelelõen többféle szinten is kivitelezhetõ.

 

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

 

Elvárás: heti rendszerességû konzultáció.

 

 

 

 

Pulzár glitchekkel egyidejû gravitációshullám-jelek keresése

 

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

 

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

 

Einstein általános relativitáselméletének elõrejelzése szerint egy gyors tömegátrendezõdés gravitációshullám-kibocsátással jár: a megválaszolatlan kérdésekhez tartozik tehát, hogy a pulzár glitcheket okozó átrendezõdések vajon a Földön is észlelhetõ gravitációshullám-jeleket bocsátanak-e ki, és ha igen, milyen tulajdonságokkal bírhatnak ezek a jelek? A munkánk során sorra vesszük a glitchekhez vezetõ folyamatokat, azzal a céllal, hogy az azokból származó gravitációshullám-jelek észlelhetõségét megvizsgáljuk. Ezen felül egy olyan keresõprogram kifejlesztését és tesztelését végezzük el, amivel ismert és eddig nem észlelt neutroncsillagok glitch-eseményeivel egyidejû gravitációshullám-jeleket próbálunk majd észlelni a második generációs detektorok 2015-tõl kezdõdõ mûködési idõszakában. Utóbbi kutatási feladatot a University of Glasgow egyetemen mûködõ LSC-társcsoporttal szoros együttmûködésben végezzük el.

 

Ajánlott szint: BSc vagy MSc diplomamunka, TDK munka, tudományos publikáció. A projekt több részfeladatra bontható, amelyek a jelentkezõ érdeklõdésének, elõképzettségének, és elszántságának megfelelõ szinten mûvelhetõk.

 

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

 

Elvárás: heti rendszerességû konzultáció.

 

 

 

 

Optimális földi detektorhálózatok a gravitációshullám-csillagászatban

 

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

 

A második generációs (Advanced) gravitációshullám-detektorok a megfigyelõ 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 elsõ 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 éggömbbõl képesek jelek észlelésére, érzékenységük azonban erõsen irányfüggõ. A Föld forgó és keringõ mozgásai miatt e detektorok idõben is változó érzékenységgel fedik le a különbözõ égi irányokat. Munkánk során célunk, hogy a jövõben megépülõ földi gravitációshullám-detektorok optimális és reális térbeli konfigurációit megtaláljuk. Az optimalizációval elsõsorban arra törekszünk, hogy a jövõben mûködõ detektorhálózatok a kombinált irányérzékenységükkel a lokális Univerzum idõben 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 elõismeretek: A LIGO-Virgo Collaboration nemzetközi együttmûködésben való részvételünk miatt elengedhetetlen a magasszintû angol nyelvtudás. A projekt elvégzéséhez szükséges a MATLAB programozói környezet (legalább elemi szintû) ismerete. Általános relativitáselméleti elõképzettség egyáltalán nem szükséges. A gravitációshullám-asztrofizika alapjai, és a gravitációshullám-jelek keresési stratégiái a feladat végzése során is elsajátíthatók.

 

Elvárás: heti rendszerességû konzultáció. 

 

 

 

 

Spindominált feketelyuk-kettõsök gravitációshullám-jeleinek keresése

 

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

 

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

 

Elméleti elõrejelzések szerint a spindominált hullámformák frekvenciája akár több tíz másodpercen keresztül is az Advanced LIGO detektorok érzékeny tartományában lehet. Az ilyen idõskálájú jeleket hosszú gravitációshullám-tranzienseknek nevezzük, megkülönböztetve õket a másodpercnél rövidebb, és az állandóan jelenlévõ gravitációshullám-jelektõl. A hosszú tranziensek észlelésére a kutatócsoportunk részvételével fejlesztette ki a LIGO Kollaboráció a STAMP keresõprogramot, ami detektorpárok adatainak egyidejû kiértékelésével, idõ-frekvencia térképeken végzi a hosszú tranziensek keresését.

 

Célunk, hogy megvizsgáljuk a spindominált hullámformák észlelhetõségét a STAMP keresõprogrammal, az Advanced LIGO detektorok 2015-tõl kezdõdõ mûködési idõszakára vetítve. A feladatra specializált STAMP keresõprogram teszteléséhez a spindominált hullámformákat generálni képes program már a rendelkezésünkre áll. A teszteredményeink és a kidolgozott keresési stratégia birtokában szeretnénk elõirányozni a keresés megvalósítását már korábban összegyûlt, vagy a közeljövõben rendelkezésre álló detektoradatok felhasználásával.

 

Ajánlott szint: MSc diplomamunka, tudományos publikáció.

 

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

 

Elvárás: heti rendszerességû konzultáció.

 

 

 

 

Alacsonyfrekvenciás akusztikus zajok kiszûrése gravitációshullám-detektorok adataiból

 

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

 

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

 

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 nyomásmérõ eszközt (mikrofont), ami a LIGO detektorokat potenciálisan megzavarni képes, levegõben terjedõ, alacsonyfrekvenciás nyomáshullámokat észleli. Több mikrofonunk mér jelenleg is az Egyesült Államokban  (például a Nobel-díjas kísérletérõl ismert Homestake bányában, Dél-Dakotában), 2013 õszén pedig mindkét LIGO obszervatóriumban egy teljes mikrofonrendszert építünk ki.

 

Jelenleg az LIGO detektorokat potenciálisan befolyásoló, levegõben terjedõ alacsonyfrekvenciás nyomáshullámok kísérleti vizsgálata fontos feladat. A munkánk során az eddig összegyûjtött mikrofonadatok kiértékelésével állandó és átmeneti környezeti zajokat azonosítunk, amibõl megbecsüljük a detektort ténylegesen érõ akusztikus zajhátteret. Az adatok segítségével megállapítjuk a mikrofonjaink és a LIGO detektorok kimenetei közötti átviteli függvényt, ami lehetõvé tenné az akusztikus hatások kiszûrését 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 kiszûrjük.

 

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

 

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

 

Elvárás: heti rendszerességû konzultáció.

 

 

 

 

Infrahangdetektorok hálózatának fejlesztése gravitációshullám-detektorok környezetmonitorozó rendszerei számára

 

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

 

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

 

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 nyomásmérõ eszközt (mikrofont), ami a LIGO detektorokat potenciálisan megzavarni képes, levegõben terjedõ, alacsonyfrekvenciás nyomáshullámokat észleli. Több mikrofonunk mér jelenleg is az Egyesült Államokban  (például a Nobel-díjas kísérletérõl ismert Homestake bányában, Dél-Dakotában), 2013 õszén pedig mindkét LIGO obszervatóriumban egy teljes mikrofonrendszert építünk ki.

 

Saját fejlesztésû mikrofonunk már jelenleg is jól használható adatokat állít elõ, és része a LIGO környezetmonitorozó rendszerének. A mért adatok pontosabb megértése azonban fontos feladat a felhasználási lehetõségek bõvítésében és a mûszer további javításában. A munka során célunk egy széles frekvenciatartományban mûködõ kalibrációs módszer kifejlesztése, valamint a mûszer elektronikus zajának modellezése és pontos kimérése. További céljaink között szerepel a mikrofonokat érõ 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 érdeklõdõ hallgatóknak egyaránt ajánljuk. Elsõdleges célunk tudományos publikációt készíteni, de a feladat mûvelhetõ diplomamunkaként vagy TDK munkaként is.

 

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

 

Elvárás: heti rendszerességû konzultáció.

 

 

 

 

   
  (c) Eötvös Gravity Research Group 2007