Estimating the coalescence rate of double compact objects – perspectives for gravitational wave detection

Rozwój zaawansowanych obserwatoriów fal grawitacyjnych takich jak Advanced LIGO i Advanced Virgo, motywuje do opracowania teoretycznych oszacowań dotyczących możliwych zródeł detekcji. W szczególnosci, niezwykła czułosc tych instrumentów nie ogranicza poszukiwan tylko do „lokalnego” Wszechswiata ale rozszerza je do kosmologicznych odległosci. Wsród potencjalnych zródeł najbardziej obiecującymi są układy podwójne obiektów zwartych (para gwiazd neutronowych, para czarnych dziur lub układ czarna dziura – gwiazda neutronowa). Celem mojej rozprawy jest uzyskanie wyzej wymienionych oszacowań dotyczących układów podwójnych obiektów zwartych oraz ich własciwosci. Umożliwi to uzyskanie nowej wiedzy dotyczącej mechanizmów fizycznych rządzących ewolucją gwiazdowych układów podwójnych poprzez obserwacje fal grawitacyjnych. Dodatkowo, praca umocni status istniejących projektów dotyczących fal grawitacyjnych i będzie stanowić fundamenty pod przyszłe przedsięwziecia tego typu. Kluczowym elementem mojej rozprawy jest szczegółowa analiza składająca się z trzech części.W pierwszej części badam zbiór modeli opisujących ewolucję układów podwójnych w celu określenia najważniejszych mechanizmów opisujących formowanie się układów podwójnych obiektów zwartych. Druga część korzysta z wyników poprzedniej i łączy ewolucję układów podwójnych z kosmologicznymi wielkosciami takimi jak tempo formacji gwiazd, ewolucja galaktyk i gwiazdowej metaliczności w funkcji kosmologicznego przesunięcia ku czerwieni. Celem tej części jest ustalenie kosmicznej historii układów podwójnych obiektów zwartych od poczatku czasu. W trzeciej, ostatniej części przeliczam kosmologiczne wyniki z poprzedniej części na ilościowe i jakościowe własności możliwe do zaobserwowania przez współczesne teleskopy grawitacyjne. Opierając się na uzyskanych rezultatach szacuję, iż podwójne czarne dziury zdominują detekcję w zaawansowanych obserwatoriach grawitacyjnych. Obiekty te cechować będą charakterystyczne, statystyczne własności takie jak dystrybucje masy „chirp”. Pozwolą one wyróżnić szereg fizycznych aspektów ewolucji gwiazdowej np. zależność przebiegu wspólnej otoczki od typu donora lub mechanizmy eksplozji supernowych. Dodatkowo wiekszość możliwych do zaobserwowania układów podwójnych obiektów zwartych zawierających czarną dziurę pochodzić będzie z wczesnego Wszcheswiata, gdzie, oraz kiedy, średnia obfitość metali w gwiazdach była niższa niż dziś. Oznacza to, iż chemiczna ewolucja Wszechświata odgrywa kluczową rolę w formowaniu populacji układów podwójnych obiektów zwartych.

The development of advanced gravitational wave observatories, such as Advanced LIGO and Advanced Virgo, provides impetus to acquire theoretical estimates for what these instruments might detect. In particular, with the range of these observatories constantly increasing the search for GW sources is extending beyond the “local” Universe and out to cosmological distances. Of such sources, the most promising are the double compact objects (neutron star-neutron star, black hole neutron star and black hole-black hole systems). In my thesis I aim to provide such estimates regarding double compact objects and their properties. This work is undertaken in order to learn, through gravitational wave observations, about the physical mechanisms governing stellar evolution and formation of double compact objects. Additionally, this work contributes to the scientific cases for existing gravitational wave projects and helps establish such cases for future ones. The key element of my thesis is a detailed analysis consisting of three parts. In the first part I investigate a suite of models describing binary evolution in order to determine the most important physical mechanisms governing the formation of double compact objects. The second part builds on the results of the previous one and fuses binary evolution with cosmological aspects such as star formation rate, galaxy and metallicity evolution. The goal is to provide knowledge of the cosmic history of double compact objects since the beginning of time. The third and last part converts the cosmological results of the second part into quantitative and qualitative properties observable by modern day gravitational wave telescopes. I find that double black hole systems will dominate the detection rates in advanced gravitational wave observatories. They will also provide a rich observational features such as the chirp mass distribution, which will allow to resolve several physical aspects of stellar binary evolution such as the sensitivity of the common envelope outcome on the stellar type of the donor or the mechanism of a supernova explosion. I also predict that most of the detectable double compact objects containing black holes were formed in the early Universe where metal abundance in stars was on average lower than today. Therefore, I find that the chemical evolution of the Universe plays a crucial role in developing populations of double compact objects.