The search for gravitational waves from the coalescence of black hole binary systems in data from the LIGO and Virgo detectors. Or: A dark walk through a random forest

The LIGO and Virgo gravitational-wave observatories are complex and extremely sensitive strain detectors that can be used to search for a wide variety of gravitational waves from astrophysical and cosmological sources. In this thesis, I motivate the search for the gravitational wave signals from coalescing black hole binary systems with total mass between 25 and 100 solar masses. The mechanisms for formation of such systems are not well-understood, and we do not have many observational constraints on the parameters that guide the formation scenarios. Detection of gravitational waves from such systems — or, in the absence of detection, the tightening of upper limits on the rate of such coalescences — will provide valuable information that can inform the astrophysics of the formation of these systems. I review the search for these systems and place upper limits on the rate of black hole binary coalescences with total mass between 25 and 100 solar masses. I then show how the sensitivity of this search can be improved by up to 40% by the the application of the multivariate statistical classifier known as a random forest of bagged decision trees to more effectively discriminate between signal and non-Gaussian instrumental noise. I also discuss the use of this classifier in the search for the ringdown signal from the merger of two black holes with total mass between 50 and 450 solar masses and present upper limits. I also apply multivariate statistical classifiers to the problem of quantifying the non-Gaussianity of LIGO data. Despite these improvements, no gravitational-wave signals have been detected in LIGO data so far. However, the use of multivariate statistical classification can significantly improve the sensitivity of the Advanced LIGO detectors to such signals.

Mapeamento geológico em áreas graníticas intemperizadas em regiões montanhosas tropicais: o granito Conselheiro Paulino (Faixa Ribeira)

Neste trabalho foram integrados o mapeamento geológico de campo, os dados regionais aerogeofísicos e as imagens orbitais de alta resolução (1 m) para fornecer um mapa geológico detalhado do Pluton granítico Conselheiro Paulino, na Faixa Ribeira, Brasil. A área estudada possui poucos afloramentos e outras questões que dificultam o mapeamento geológico tradicional. Escorregamentos de terra são comuns na porção mais intemperizada do granito. A utilização de imagens orbitais de alta resolução permitiu a identificação dos poucos afloramentos existentes, além de outros elementos, como ravinas, planícies aluviais, eluviões, vegetação e estradas. Isso foi importante para orientar e otimizar as pesquisas de campo. A disponibilidade de dados aerogeofísicos magnéticos e radiométricos corroboraram nos trabalhos de campo e na petrografia do Pluton granítico Conselheiro Paulino. O pluton pode ser dividido em duas facies distintas, sendo uma de composição microgranítica e outra de composição microgranodiorítica

Lock Acquisition and Sensitivity Analysis of Advanced LIGO Interferometers

Laser interferometer gravitational wave observatory (LIGO) consists of two complex large-scale laser interferometers designed for direct detection of gravitational waves from distant astrophysical sources in the frequency range 10Hz - 5kHz. Direct detection of space-time ripples will support Einstein's general theory of relativity and provide invaluable information and new insight into physics of the Universe.

Initial phase of LIGO started in 2002, and since then data was collected during six science runs. Instrument sensitivity was improving from run to run due to the effort of commissioning team. Initial LIGO has reached designed sensitivity during the last science run, which ended in October 2010.

In parallel with commissioning and data analysis with the initial detector, LIGO group worked on research and development of the next generation detectors. Major instrument upgrade from initial to advanced LIGO started in 2010 and lasted till 2014.

This thesis describes results of commissioning work done at LIGO Livingston site from 2013 until 2015 in parallel with and after the installation of the instrument. This thesis also discusses new techniques and tools developed at the 40m prototype including adaptive filtering, estimation of quantization noise in digital filters and design of isolation kits for ground seismometers.

The first part of this thesis is devoted to the description of methods for bringing interferometer to the linear regime when collection of data becomes possible. States of longitudinal and angular controls of interferometer degrees of freedom during lock acquisition process and in low noise configuration are discussed in details.

Once interferometer is locked and transitioned to low noise regime, instrument produces astrophysics data that should be calibrated to units of meters or strain. The second part of this thesis describes online calibration technique set up in both observatories to monitor the quality of the collected data in real time. Sensitivity analysis was done to understand and eliminate noise sources of the instrument.

Coupling of noise sources to gravitational wave channel can be reduced if robust feedforward and optimal feedback control loops are implemented. The last part of this thesis describes static and adaptive feedforward noise cancellation techniques applied to Advanced LIGO interferometers and tested at the 40m prototype. Applications of optimal time domain feedback control techniques and estimators to aLIGO control loops are also discussed.

Commissioning work is still ongoing at the sites. First science run of advanced LIGO is planned for September 2015 and will last for 3-4 months. This run will be followed by a set of small instrument upgrades that will be installed on a time scale of few months. Second science run will start in spring 2016 and last for about 6 months. Since current sensitivity of advanced LIGO is already more than factor of 3 higher compared to initial detectors and keeps improving on a monthly basis, upcoming science runs have a good chance for the first direct detection of gravitational waves.

Comparação de dois métodos geofísicos acústicos no mapeamento de fundos submersos: estudo de caso no Mar de Cananéia, Sistema estuarino de Cananéia-Iguape (SP)

Os estuários são ambientes altamente dinâmicos e concentram a maior parte da população mundial em seu entorno. São ambientes complexos que necessitam de uma gama de estudos. Nesse contexto, este trabalho visa contribuir para o entendimento dos estuários lagunares, tendo como objetivo comparar duas ferramentas geofísicas acústicas no mapeamento de uma porção submersa do Mar de Cananéia que está inserido no Sistema Estuarino Lagunar de Cananéia-Iguape (SP). Os equipamentos utilizados nesta pesquisa são o Sonar de Varredura Lateral e o Sistema Acústico de Classificação de Fundo RoxAnn, através da parametrização de amostras de fundo. A comparação do padrão acústico do Sonar de Varredura Lateral com as amostras de fundo da região permitiu o reconhecimento de 6 tipos distintos de padrões acústicos e a relação positiva com o diâmetro médio do grão foi de 50%. A comparação da resposta acústica do Sistema Acústico de Classificação de Fundo RoxAnn com o diâmetro médio do grão foi igualmente de 50%. Isto deve-se ao fato de que os valores produzidos pelo eco 1 e pelo eco 2 deste equipamento mostram que, por ser um mono-feixe e por analisar valores de intensidade do retorno acústico, o equipamento em questão pode responder a outros fatores ambientais que não seja somente o diâmetro médio do grão. Ao comparar a resposta acústica do Sonar de Varredura Lateral com o Sistema Acústico de Classificação de fundo RoxAnn obteve-se um resultado positivo de 93%. Isto pode ser explicado pelo fato de o Sonar de Varredura Lateral gerar uma imagem acústica do fundo. Em locais onde tem-se amostra e os valores do eco 1 e do eco 2 do Sistema Acústico de Classificação de Fundo RoxAnn são altos, pode-se associar a esses locais a influência da compactação dos sedimentos finos através da análise das imagens do Sonar de Varredura Lateral. Por meio da comparação destes dois métodos foi possível estabelecer um intervalo de valores para o eco 1 que pode ser associado ao diâmetro médio do grão. Assim, valores entre 0.170 a 0.484 milivolts podem ser associados a sedimentos finos com granulometria até areia fina. Valores entre 0.364 a 0.733 podem ser associados a sedimentos de granulometria entre areia fina a média. Valores acima de 0.805 milivolts até 1.585 milivolts podem ser associados a sedimentos mais grossos como carbonatos biodetríticos ou areias grossas. E, por fim, valores acima de 2.790 milivolts podem ser associados a afloramentos rochosos.

Noise Cancellation for Gravitational Wave Detectors

The LIGO gravitational wave detectors are on the brink of making the first direct detections of gravi- tational waves. Noise cancellation techniques are described, in order to simplify the commissioning of these detectors as well as significantly improve their sensitivity to astrophysical sources. Future upgrades to the ground based detectors will require further cancellation of Newtonian gravitational noise in order to make the transition from detectors striving to make the first direct detection of gravitational waves, to observatories extracting physics from many, many detections. Techniques for this noise cancellation are described, as well as the work remaining in this realm.

Levantamento e estudo das ocorrências de grafita do Distrito Grafitífero Aracoiába-Baturité, CE

O Distrito Grafitífero Aracoiába-Baturité apresenta depósitos do tipo gnaisse grafitoso (minério disseminado) e veio (minério maciço) com diferentes origens genéticas e com características físicas e ambientes geológicos de formação próprios. O minério tipo gnaisse grafitoso é de origem sedimentar, singenético, com teores de 1,5 a 8% de C, que se distribuem ao longo de duas extensas faixas paralelas, hospedadas na Subunidade Baturité, que constitui um importante metalotecto regional. A associação de grafita metamórfica disseminada em metassedimentos da Sequência Acarápe constitui um geoindicador de antiga bacia sedimentar neoproterozóica e, também, pode ser considerado como zona de geosutura resultante do subsequente fechamento de um oceano primitivo. As rochas desta subunidade correspondem na paleogeografia da Sequência Acarápe aos fácies de sopé de talude e de planície abissal. O minério tipo veio (fluido depositado) é epigenético e, com teores entre 20% e 70% de C, forma corpos tabulares e bolsões, controlados em escala local por estruturas de alívio (falhas, fraturas, zonas de contato, eixos de dobras etc.) que permitiram a percolação de soluções penumatolíticas relacionadas ao corpo plutônico de Pedra Aguda. As variações dos valores das relações entre isótopos estáveis de carbono (δ13C) na grafita do minério disseminado são de -26,72 a -23,52 e do minério maciço de -27,03 a -20,83, revelando sinal de atividades biológicas (bioassinaturas) e permitem afirmar que a grafita das amostras acima são derivadas de matéria orgânica. Foram apresentados os principais guias de prospecção para grafita e testados os seguintes métodos geofísicos: Eletro-Resistividade; GPR - Ground Penetrating Radar; Magnetometria; VLF (Very Low Frequency); e Polarização Induzida Espectral (IPS) / Resistividade (ER). A conjugação dos métodos de Polarização Induzida Espectral (IPS) e Eletro Resistividade (ER) foi o que demonstrou a melhor eficiência. Com relação à determinação do teor de carbono por termogravimetria (ATG), que é o método mais utilizado para este elemento. Verificou-se, que as faixas de queima atribuídas ao carbono no minério do Distrito de Aracoiába-Baturité (340 a 570C e de 570 a 1050C) eram diferentes das faixas do minério de Minas Gerais (350C a 650C e 650C a 1.050C). Esta constatação indica a necessidade de se determinar previamente as faixas de temperatura para cada região pesquisada.

Some uses of the spontaneous polarization method

As a partial fulfillment of the requirements in obtaining a Professional Degree in Geophysical Engineering at the California Institute of Technology. Spontaneous Polarization method of electrical exploration was chosen as the subject of this thesis. It is also known as "self potential electrical prospecting" and "natural currents method."

The object of this thesis is to present a spontaneous polarization exploration work done by the writer, and to apply analytical interpretation methods to these field results.

The writer was confronted with the difficulty of finding the necessary information in a complete paper about this method. The available papers are all too short and repeat the usual information, giving the same examples. The decision was made to write a comprehensive paper first, including the writer's experience, and then to present the main object of the thesis.

The following paper comprises three major parts:

1 - A comprehensive treatment of the spontaneous polarization method.

2 - Report of the field work.

3 - Analytical interpretation of the field work results.

The main reason in choosing this subject is that this method is the most reliable, easiest and requires the least equipment in prospecting for sulphide orebodies on unexplored, rough terrains.

The intention of the writer in compiling the theoretical and analytical information has been mainly to prepare a reference paper about this method.

The writer wishes to express his appreciation to Dr. G. W. Potapenko, Associate Professor of Physics at California Institute of Technology, for his generous help.

Dynamical models for the Earth's geoid

The Earth's largest geoid anomalies occur at the lowest spherical harmonic degrees, or longest wavelengths, and are primarily the result of mantle convection. Thermal density contrasts due to convection are partially compensated by boundary deformations due to viscous flow whose effects must be included in order to obtain a dynamically consistent model for the geoid. These deformations occur rapidly with respect to the timescale for convection, and we have analytically calculated geoid response kernels for steady-state, viscous, incompressible, self-gravitating, layered Earth models which include the deformation of boundaries due to internal loads. Both the sign and magnitude of geoid anomalies depend strongly upon the viscosity structure of the mantle as well as the possible presence of chemical layering.

Correlations of various global geophysical data sets with the observed geoid can be used to construct theoretical geoid models which constrain the dynamics of mantle convection. Surface features such as topography and plate velocities are not obviously related to the low-degree geoid, with the exception of subduction zones which are characterized by geoid highs (degrees 4-9). Recent models for seismic heterogeneity in the mantle provide additional constraints, and much of the low-degree (2-3) geoid can be attributed to seismically inferred density anomalies in the lower mantle. The Earth's largest geoid highs are underlain by low density material in the lower mantle, thus requiring compensating deformations of the Earth's surface. A dynamical model for whole mantle convection with a low viscosity upper mantle can explain these observations and successfully predicts more than 80% of the observed geoid variance.

Temperature variations associated with density anomalies in the man tie cause lateral viscosity variations whose effects are not included in the analytical models. However, perturbation theory and numerical tests show that broad-scale lateral viscosity variations are much less important than radial variations; in this respect, geoid models, which depend upon steady-state surface deformations, may provide more reliable constraints on mantle structure than inferences from transient phenomena such as postglacial rebound. Stronger, smaller-scale viscosity variations associated with mantle plumes and subducting slabs may be more important. On the basis of numerical modelling of low viscosity plumes, we conclude that the global association of geoid highs (after slab effects are removed) with hotspots and, perhaps, mantle plumes, is the result of hot, upwelling material in the lower mantle; this conclusion does not depend strongly upon plume rheology. The global distribution of hotspots and the dominant, low-degree geoid highs may correspond to a dominant mode of convection stabilized by the ancient Pangean continental assemblage.

Reavaliação deposicional da Bacia de São José de Itaboraí com base em dados geológicos e geofísicos

A Bacia de São José de Itaboraí está localizada no Município de Itaboraí, no Estado do Rio de Janeiro. Ela foi descoberta em 1928, pelo Engenheiro Carlos Euler, que após analisar um suposto caulim encontrado na Fazenda São José pelo seu então proprietário, Sr. Ernesto Coube, verificou que se tratava de calcário. Os Professores Rui Lima e Silva e Othon H. Leonardos, enviados ao local para estudos, encontraram uma grande quantidade de fósseis de gastrópodes continentais, despertando o interesse científico pela região. Os estudos preliminares de campo e análises químicas evidenciaram boas perspectivas de exploração do calcário para a fabricação de cimento do tipo Portland. Por mais de 50 anos, a Companhia Nacional de Cimento Portland Mauá (CNCPM) explorou a pedreira. Desde sua descoberta, a Bacia de São José, paralelamente às atividades de mineração, foi objeto de pesquisas científicas realizadas por geólogos, paleontólogos e arqueólogos. No início da década de 80, a Cia. de Cimento Mauá decidiu abandonar a área em função do esgotamento econômico da reserva de minério. Com a retirada das bombas que impediam a inundação da pedreira, formou-se uma lagoa que passou a impedir o livre acesso aos afloramentos. Desde então as pesquisas sobre a Bacia ficaram concentradas aos materiais coletados no período de exploração de calcário. Material esse distribuído no Museu Nacional (MN), Departamento Nacional da Produção Mineral (DNPM), Instituto de Geociências da UFRJ, entre outros. Em 1990, a área que pertencia a CNCPM foi desapropriada por pressão da comunidade científica. A mesma passou a pertencer ao Município de Itaboraí, que criou o Parque Paleontológico de São José de Itaboraí, por meio da Lei 1.346, de 12 de dezembro de 1995. O objetivo desse trabalho foi gerar novos dados através do método geofísico conhecido como magnetometria. Para isso foram realizados levantamentos de campo utilizando um magnetômetro portátil e GPS, foram analisados e corrigidos dados utilizando softwares específicos, elaborados modelos e criados perfis a partir de descrições de testemunhos de sondagem. Os resultados obtidos visam possibilitar uma nova interpretação da geologia e da estratigrafia da bacia, dando condições para que se possa ter uma atualização dos conhecimentos relacionados à região, após quase meio século de atividade mineradora.

Análise da tectônica de colocação de diques cretácicos na região de São Sebastião, SP

O trabalho foi desenvolvido no litoral norte do estado de São Paulo, onde ocorrem boas exposições de rochas intrusivas da porção meridional do Enxame de Diques da Serra do Mar, de idade eocretácica. O objetivo principal da dissertação é caracterizar os regimes tectônicos associados à colocação e à deformação de diques máficos na área de São Sebastião (SP) e sua distribuição espacial, a partir de interpretações de imagens de sensores remotos, análise de dados estruturais de campo e descrição petrográfica das rochas ígneas. A área apresenta grande complexidade no tocante ao magmatismo, uma vez que ocorrem diques de diabásios toleítico e alcalino, lamprófiro e rochas alcalinas félsicas como fonolitos, traquitos e sienitos, estes sob a forma diques, sills e plugs. Os diabásios toleíticos tem idades em torno 134 Ma, correlatas com o início do rifteamento sul-atlântico, enquanto que as rochas alcalinas datam de 86 Ma e estão relacionadas com um magmatismo intraplaca posterior. Os lineamentos estruturais orientam-se majoritariamente na direção ENE-WSW, paralela às foliações metamórficas e zonas de cisalhamento observadas no campo e descritas na literatura, referentes ao Domínio Costeiro da Faixa Ribeira. Os diques se orientam na direção NE-SW, com azimute semelhante porém ângulos de mergulho discordantes da foliação em grande parte da área, onde as foliações são de baixo ângulo. Um segundo conjunto de lineamentos orientado NW-SE ocorre como um importante conjunto de fraturas que cortam tanto as rochas do embasamento proterozóico quanto as rochas alcalinas neocretácicas. Diques com esta orientação são escassos. Um terceiro conjunto NNE-SSW ocorre na porção oeste da área, associado à presença de diques de diabásio que por vezes mostram indicadores de movimentação sinistral. A análise cinemática dos diques mostra um predomínio de distensão pura durante sua colocação, com um tensor de compressão mínima de orientação NW-SE, ortogonal ao principal trend dos diques. Componentes direcionais, por vezes ambíguas, são comumente observadas, com um discreto predomínio de componente sinistral. O mesmo padrão cinemático é observado para os diques toleíticos e para os alcalinos, sugerindo que o campo de tensões local pouco variou durante o Cretáceo. Embora o embasamento não tenha sido diretamente reativado durante a colocação dos diques, sua anisotropia pode ter controlado de certa forma a orientação do campo de tensões local durante o Cretáceo. Os mapas geofísicos da bacia de Santos existentes na literatura sugerem certo paralelismo entre as estruturas observadas na área de estudo e aquelas interpretadas na bacia. As estruturas NNE-SSW são paralelas ao trend das sub-bacias e ao gráben de Merluza, enquanto que as estruturas NW-SE são paralelas a zonas de transferência descritas na literatura.

Análisis de tendencias de temperaturas extremas (mínimas y máximas diarias) y eventos extremos (olas de frío y de calor) en la Cornisa Cantábrica (1924-2014).

[ES]En este trabajo se han analizado las tendencias de las temperaturas extremas y los eventos extremos en la Cornisa Cantábrica a partir de los registros diarios de catorce observatorios de la base de datos NCDC-GSOD (1973-2014) y cuatro observatorios centenarios también situados en esta región de ECA&D (1928-2014). Para ello, se han calculado los índices climáticos desarrollados por el ETCCDMI y se ha cuantificado la significación de las tendencias mediante el test de Mann-Kendall. Se ha observado un ascenso de las temperaturas extremas y eventos extremos en la mayoría de las estaciones, siendo el aumento más acusado a lo largo de los últimos cuarenta años

Evaluación de los cambios en las temperaturas máximas, mínimas y medias diarias en la Cornisa Cantábrica (1928-2013): influencia de la NAO en la variabilidad observada.

[ES]Se ha estudiado la variabilidad de la temperatura en la Cornisa Cantábrica en el periodo 1928-2013 analizando los índices de la temperatura máxima, mínima y media, el rango diario de temperaturas y el número de días de helada. Asimismo se ha analizado la influencia que tiene el índice NAO sobre la temperatura. Para su evaluación se han utilizado las bases de datos de catorce observatorios atmosféricos, un observatorio marítimo y el índice NAO mensual de Hurrell. Se ha observado que la temperatura de la Cornisa Cantábrica ha aumentado sobre todo en las últimas cuatro décadas, siendo mayor el incremento de la temperatura máxima que el de la mínima (1973-2013). Además, la temperatura marítima del Este del mar Cantábrico ha ascendido a un ritmo de 0,197°C dec-1. El índice NAO no muestra relación con la variabilidad de la temperatura.

Identificação de areias siliciclásticas para a recuperação de praias em erosão através de métodos geofísicos acústicos

Devido a sua grande extensão latitudinal, a costa brasileira é influenciada por diferentes regimes climáticos e oceanográficos. Adicionalmente, a distribuição da população brasileira é caracterizada por uma alta concentração nas capitais litorâneas. Todos esses fatores levam à construção de inúmeras estruturas de engenharia que podem de alguma forma impactar o transporte de sedimento e consequentemente o balanço sedimentar de algumas praias. Uma das formas mais eficientes de recuperar esse balanço sedimentar é a alimentação artificial de praias, com sedimentos provenientes da plataforma continental com características semelhantes. Os métodos geofísicos acústicos permitem mapear de forma eficiente o fundo e o subfundo marinho para a busca de áreas fontes para a lavra de forma eficiente. O objetivo deste estudo é a identificação de padrões geoacústicos a partir de analises quantitativas e qualitativas, para a caracterização de áreas fontes de areias siliciclásticas compatíveis com sedimentos de praias em erosão na cidade do Rio de Janeiro. O mapeamento foi realizado na plataforma continental interna do Rio de Janeiro, em área adjacente à praia de Itaipuaçu (Maricá, RJ). As análises evidenciaram depósitos, localizados entre 19 e 30 metros, de areias com granulometria, textura e selecionamento em condições ideias para a recomposição de praias do Rio de Janeiro.