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Compact Binary Populations in Globular Clusters and Prospects for Gravitational Wave Detection

Downing, Jonathan Michael Blake

German Title: Kompakte Doppelsternsysteme in Kugelsternhaufen und die Möglichkeiten der Gravitationswellendetektion

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Abstract

The inspiral and merger of compact binary stars will be major detection events for interferometric gravitational wave observatories. These observatories operate most effectively by comparing their output to template waveforms. In order to make these templates the physical parameters of the source population must be understood. Compact binaries in the galactic field have been investigated using population synthesis models but in dense stellar environments interactions can alter the binary population and may enhance the merger rate. I study compact binaries in star clusters using a Monte Carlo model for the dynamics. I find that the black hole population interacts strongly, leading to an enhancement in both the number of black hole binaries and the black hole binary merger rate. Due to the high interaction rate the majority of black hole binaries are ejected and thus the mergers occur in the galactic field. I find a promising rate of $1-100$ detections per year for the next generation of ground-based gravitational wave detectors and two possible sources for space-based detectors, both highly eccentric. I conclude that star clusters must be taken into account in order to predict accurate event rates for gravitational wave detectors.

Translation of abstract (German)

Als wichtigste Zielobjekte für interferometrische Gravitationswellen-Detektoren werden umeinander spiralende und verschmelzende kompakte Doppelsternsysteme angesehen. Die Detektoren arbeiten am effektivsten durch Vergleichen der Beobachtung mit einer Schablone aus der erwarteten Wellenform. Um die Schablonen zu erstellen müssen die physikalischen Parameter der Quellenpopulationen verstanden werden. In der Galaxie können kompakte Doppelsternsysteme mithilfe von Populationssynthese-Modellen untersucht werden, wohingegen in dichten Sterngebieten stellare Wechselwirkungen die Verteilung der Doppel-Systeme beeinflussen und die Kollisionsrate anheben können. Ich erforsche kompakte Doppelsternsysteme in Kugelsternhaufen unter der Verwendung eines Monte-Carlo-Modells für die Dynamik. Diese Studien zeigen, dass die Population der schwarzen Löcher stark interagiert, wodurch sich sowohl die Anzahl der Paare von schwarzen Löchern als auch deren Verschmelzungsrate erhöht. Die Mehrheit dieser Doppelsysteme wird aus dem Kugelsternhaufen geschleudert, um endgültig im galaktischen Feld zu verschmelzen. Für die erdgebundenen Gravitationswellen-Detektoren der nächsten Generation erwarte ich eine vielversprechende Rate von $1-100$ detektierten Ereignissen pro Jahr sowie zwei mögliche Quellen für weltraum-basierte Messungen, jeweils mit Bahnen hoher Exzentrizität. Daher schließe ich, dass Sternhaufen mit in Betracht gezogen werden müssen, um genaue Ereignisraten für Gravitationswellen-Detektoren vorherzusagen.

Item Type: Dissertation
Supervisor: Spurzem, Prof. Dr. Rainer
Date of thesis defense: 18. November 2009
Date Deposited: 20. Nov 2009 13:17
Date: 2009
Faculties / Institutes: Service facilities > Zentrum für Astronomie der Universität Heidelberg (ZAH) > ZAH: Astronomisches Rechen-Institut
Subjects: 520 Astronomy and allied sciences
Uncontrolled Keywords: Globular clusters , Black Hole Binaries , Gravitational Waves , Monte Carlo Simulations
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