I perform and analyse the first ever calculations of rotating stellar iron core collapse in {3+1} general relativity that start out with presupernova models from stellar evolutionary calculations and include a microphysical finite-temperature nuclear equation of state, an approximate scheme for electron capture during collapse and neutrino pressure effects. Based on the results of these calculations, I obtain the to-date most realistic estimates for the gravitational wave signal from collapse, bounce and the early postbounce phase of core collapse supernovae. I supplement my {3+1} GR hydrodynamic simulations with 2D Newtonian neutrino radiation-hydrodynamic supernova calculations focussing on (1) the late postbounce gravitational wave emission owing to convective overturn, anisotropic neutrino emission and protoneutron star pulsations, and (2) on the gravitational wave signature of accretion-induced collapse of white dwarfs to neutron stars. / Ich präsentiere die ersten Computer-Simulationen des rotierenden Kollapses stellarer Eisenkerne, die in der {3+1}-Zerlegung der Allgemeinen Relativitätstheorie durchgeführt werden und Vorsupernova-Sternmodelle aus Sternentwicklungsrechnungen, eine heiße nukleare Zustandsgleichung und ein näherungsweises Verfahren zur Beschreibung des Elektroneneinfangs enthalten und Neutrinodruck-Effekte berücksichtigen. Basierend auf den Ergebnissen dieser Rechnungen erhalte ich die zur Zeit realistischsten Vorhersagen für das Gravitationswellensignal der Kollaps, Abprall, Abkling und frühen Nach-Abprallphase einer Kern-Kollaps-Supernova. Neben den {3+1} Simulationen diskutiere ich newtonsche axisymmetrische Kern-Kollaps-Supernova-Simulationen mit Schwerpunkten auf: (1) der Gravitationswellenabstrahlung in der späten Nach-Abprallphase durch Konvektionsströmungen, anisotropische Neutrinoemission und Proto-Neutronenstern Pulsationen und (2) der Gravitationswellensignatur des Kollapses weißer Zwergsterne zu Neutronensternen, der durch Akkretion eingeleitet wird.

This thesis describes two main projects; the first one is the optimization of a hierarchical search strategy to search for unknown pulsars. This project is divided into two parts; the first part (and the main part) is the semi-coherent hierarchical optimization strategy. The second part is a coherent hierarchical optimization strategy which can be used in a project like Einstein@Home. In both strategies we have found that the 3-stages search is the optimum strategy to search for unknown pulsars. For the second project we have developed a computer software for a coherent Multi-IFO (Interferometer Observatory) search. To validate our software, we have worked on simulated data as well as hardware injected signals of pulsars in the fourth LIGO science run (S4). While with the current sensitivity of our detectors we do not expect to detect any true Gravitational Wave signals in our data, we can still set upper limits on the strength of the gravitational waves signals. These upper limits, in fact, tell us how weak a signal strength we would detect. We have also used our software to set upper limits on the signal strength of known isolated pulsars using LIGO fifth science run (S5) data. / Diese Dissertation besteht aus zwei Projekten: Im ersten Projekt wird die Optimierung einer hierarchischen Strategie zum Auffinden von 'unbekannten' Pulsaren beschrieben. Der erste Teil besteht dabei aus einer semi-kohärenten und der zweite Teil aus einer kohärenten Optimierungsstrategie, wie sie in Projekten wie Einstein@Home verwendet werden kann. In beiden Ansätzen erwies sich eine 3-Stufensuche als optimale Suchstrategie für 'unbekannte' Pulsare. Für das zweite Projekt entwickelten wir eine Software für eine kohärente Multi-IFO (Interferometer Observatory) Suche. Zum Validieren der Software verwendeten wir sowohl simulierte Daten als auch Hardware induzierte Signale von Pulsaren aus dem vierten 'LIGO Science run' (S4). Wir erwarten nicht, mit der aktuellen Empfindlichkeit unserer Detektoren echte GW- Signale aufzunehmen, können jedoch obere Grenzen für die Stärke der Gravitationswellen-Signale bestimmen. Diese oberen Grenzen geben uns an, wie schwach ein gerade noch detektierbares Signal werden kann. Ferner benutzten wir die Software um eine obere Grenze für bekannte, isolierte Pulsare zu bestimmen, wobei wir Daten aus dem fünften 'LIGO Science run (S5) verwendeten.

One of the most exciting predictions of Einstein's theory of gravitation that have not yet been proven experimentally by a direct detection are gravitational waves. These are tiny distortions of the spacetime itself, and a world-wide effort to directly measure them for the first time with a network of large-scale laser interferometers is currently ongoing and expected to provide positive results within this decade. One potential source of measurable gravitational waves is the inspiral and merger of two compact objects, such as binary black holes. Successfully finding their signature in the noise-dominated data of the detectors crucially relies on accurate predictions of what we are looking for. In this thesis, we present a detailed study of how the most complete waveform templates can be constructed by combining the results from (A) analytical expansions within the post-Newtonian framework and (B) numerical simulations of the full relativistic dynamics. We analyze various strategies to construct complete hybrid waveforms that consist of a post-Newtonian inspiral part matched to numerical-relativity data. We elaborate on exsisting approaches for nonspinning systems by extending the accessible parameter space and introducing an alternative scheme based in the Fourier domain. Our methods can now be readily applied to multiple spherical-harmonic modes and precessing systems. In addition to that, we analyze in detail the accuracy of hybrid waveforms with the goal to quantify how numerous sources of error in the approximation techniques affect the application of such templates in real gravitational-wave searches. This is of major importance for the future construction of improved models, but also for the correct interpretation of gravitational-wave observations that are made utilizing any complete waveform family. In particular, we comprehensively discuss how long the numerical-relativity contribution to the signal has to be in order to make the resulting hybrids accurate enough, and for currently feasible simulation lengths we assess the physics one can potentially do with template-based searches. / Eine der aufregendsten Vorhersagen aus Einsteins Gravitationstheorie, die bisher noch nicht direkt durch ein Experiment nachgewiesen werden konnten, sind Gravitationswellen. Dies sind winzige Verzerrungen der Raumzeit selbst, und es wird erwartet, dass das aktuelle Netzwerk von groß angelegten Laserinterferometern im kommenden Jahrzehnt die erste direkte Gravitationswellenmessung realisieren kann. Eine potentielle Quelle von messbaren Gravitationswellen ist das Einspiralen und Verschmelzen zweier kompakter Objekte, wie z.B. ein Binärsystem von Schwarzen Löchern. Die erfolgreiche Identifizierung ihrer charakteristischen Signatur im Rausch-dominierten Datenstrom der Detektoren hängt allerdings entscheidend von genauen Vorhersagen ab, was wir eigentlich suchen. In dieser Arbeit wird detailliert untersucht, wie die komplettesten Wellenformenmodelle konstruiert werden können, indem die Ergebnisse von (A) analytischen Entwicklungen im post-Newtonschen Verfahren und (B) numerische Simulationen der voll-relativistischen Bewegungen verknüpft werden. Es werden verschiedene Verfahren zur Erstellung solcher "hybriden Wellenformen", bei denen der post-Newtonsche Teil mit numerischen Daten vervollständigt wird, analysiert. Existierende Strategien für nicht-rotierende Systeme werden vertieft und der beschriebene Parameterraum erweitert. Des Weiteren wird eine Alternative im Fourierraum eingeführt. Die entwickelten Methoden können nun auf multiple sphärisch-harmonische Moden und präzedierende Systeme angewandt werden. Zusätzlich wird die Genauigkeit der hybriden Wellenformen mit dem Ziel analysiert, den Einfluss verschiedener Fehlerquellen in den Näherungstechniken zu quantifizieren und die resultierenden Einschränkungen bei realen Anwendungen abzuschätzen. Dies ist von größter Bedeutung für die zukünftige Entwicklung von verbesserten Modellen, aber auch für die korrekte Interpretation von Gravitationswellenbeobachtungen, die auf Grundlage solcher Familien von Wellenformen gemacht worden sind. Insbesondere wird diskutiert, wie lang der numerische Anteil des Signals sein muss, um die Hybride genau genug konstruieren zu können. Für die aktuell umsetzbaren Simulationslängen wird die Physik eingeschätzt, die mit Hilfe von Modell-basierten Suchen potentiell untersucht werden kann.

The inspiral and merger of two black holes is among the most exciting and extreme events in our universe. Being one of the loudest sources of gravitational waves, they provide a unique dynamical probe of strong-field general relativity and a fertile ground for the observation of fundamental physics. While the detection of gravitational waves alone will allow us to observe our universe through an entirely new window, combining the information obtained from both gravitational wave and electro-magnetic observations will allow us to gain even greater insight in some of the most exciting astrophysical phenomena. In addition, binary black-hole mergers serve as an intriguing tool to study the geometry of space-time itself. In this dissertation we study the merger process of binary black-holes in a variety of conditions. Our results show that asymmetries in the curvature distribution on the common apparent horizon are correlated to the linear momentum acquired by the merger remnant. We propose useful tools for the analysis of black holes in the dynamical and isolated horizon frameworks and shed light on how the final merger of apparent horizons proceeds after a common horizon has already formed. We connect mathematical theorems with data obtained from numerical simulations and provide a first glimpse on the behavior of these surfaces in situations not accessible to analytical tools. We study electro-magnetic counterparts of super-massive binary black-hole mergers with fully 3D general relativistic simulations of binary black-holes immersed both in a uniform magnetic field in vacuum and in a tenuous plasma. We find that while a direct detection of merger signatures with current electro-magnetic telescopes is unlikely, secondary emission, either by altering the accretion rate of the circumbinary disk or by synchrotron radiation from accelerated charges, may be detectable. We propose a novel approach to measure the electro-magnetic radiation in these simulations and find a non-collimated emission that dominates over the collimated one appearing in the form of dual jets associated with each of the black holes. Finally, we provide an optimized gravitational wave detection pipeline using phenomenological waveforms for signals from compact binary coalescence and show that by including spin effects in the waveform templates, the detection efficiency is drastically improved as well as the bias on recovered source parameters reduced. On the whole, this disseration provides evidence that a multi-messenger approach to binary black-hole merger observations provides an exciting prospect to understand these sources and, ultimately, our universe. / Schwarze Löcher gehören zu den extremsten und faszinierensten Objekten in unserem Universum. Elektromagnetische Strahlung kann nicht aus ihrem Inneren entkommen, und sie bilden die kompaktesten Objekte, die wir kennen. Wir wissen heute, dass in den Zentren der meisten Galaxien sehr massereiche schwarze Löcher vorhanden sind. Im Fall unserer eigenen Galaxie, der Milchstrasse, ist dieses schwarze Loch ungefähr vier Millionen mal so schwer wie unsere Sonne. Wenn zwei Galaxien miteinander kollidieren, führt dies auch dazu, dass ihre beiden schwarzen Löcher kollidieren und zu einem einzelnen schwarzen Loch verschmelzen. Das Simulieren einer solchen Kollision von zwei schwarzen Löchern, die Vorhersage sowie Analyse der von ihnen abgestrahlten Energie in Form von Gravitations- und elektromagnetischen Wellen, bildet das Thema der vorliegenden Dissertation. Im ersten Teil dieser Arbeit untersuchen wir die Verschmelzung von zwei schwarzen Löchern unter verschiedenen Gesichtspunkten. Wir zeigen, dass Ungleichmässigkeiten in der Geometrie des aus einer Kollision entstehenden schwarzen Loches dazu führen, dass es zuerst beschleunigt und dann abgebremst wird, bis diese Ungleichmässigkeiten in Form von Gravitationswellen abgetrahlt sind. Weiterhin untersuchen wir, wie der genaue Verschmelzungsprozess aus einer geometrischen Sicht abläuft und schlagen neue Methoden zur Analyse der Raumzeitgeometrie in Systemen vor, die schwarze Löcher enthalten. Im zweiten Teil dieser Arbeit beschäftigen wir uns mit den Gravitationswellen und elektromagnetischer Strahlung, die bei einer Kollision von zwei schwarzen Löchern freigesetzt wird. Gravitationswellen sind Wellen, die Raum und Zeit dehnen und komprimieren. Durchläuft uns eine Gravitationswelle, werden wir in einer Richtung minimal gestreckt, während wir in einer anderen Richtung minimal zusammengedrückt werden. Diese Effekte sind allerdings so klein, dass wir sie weder spüren, noch auf einfache Weise messen können. Bei einer Kollision von zwei schwarzen Löchern wird eine grosse Menge Energie in Form von Gravitationswellen und elektromagnetischen Wellen abgestrahlt. Wir zeigen, dass beide Signale in ihrer Struktur sehr ähnlich sind, dass aber die abgestrahlte Energie in Gravitationswellen um ein Vielfaches grösser ist als in elektromagnetischer Strahlung. Wir führen eine neue Methode ein, um die elektromagnetische Strahlung in unseren Simulationen zu messen und zeigen, dass diese dazu führt, dass sich die räumliche Struktur der Strahlung verändert. Abschliessend folgern wir, dass in der Kombination der Signale aus Gravitationswellen und elektromagnetischer Strahlung eine grosse Chance liegt, ein System aus zwei schwarzen Löchern zu detektieren und in einem weiteren Schritt zu analysieren. Im dritten und letzen Teil dieser Dissertation entwickeln wir ein verbessertes Suchverfahren für Gravitationswellen, dass in modernen Laser-Interferometerexperimenten genutzt werden kann. Wir zeigen, wie dieses Verfahren die Chancen für die Detektion eines Gravitationswellensignals deutlich erhöht, und auch, dass im Falle einer erfolgreichen Detektion eines solchen Signals, seine Parameter besser bestimmt werden können. Wir schliessen die Arbeit mit dem Fazit, dass die Kollision von zwei schwarzen Löchern ein hochinteressantes Phenomenon darstellt, das uns neue Möglichkeiten bietet die Gravitation sowie eine Vielzahl anderer fundamentaler Vorgänge in unserem Universum besser zu verstehen.

In der vorliegenden Dissertation wird ein neues experimentelles Konzept zur Durchführung von Gravitationswellendetektion und Spektrometrie mit einem Hong-Ou-Mandel (HOM) Interferometer im Weltraum untersucht. Dabei wird das Rauschbudget des Instruments bewertet. Die grundlegenden experimentellen Anforderungen werden berechnet. Es wird gezeigt, dass die Leistung und Wellenlänge der verschränkten Photonenquelle, zusammen mit der Winkelgenauigkeit der Messung der Photonenpolarisationsdrehung, die Haupteinschränkungen bilden, um die Art der Gravitationswellenquellen zu bestimmen, die das Ziel von HOM - Gravitationswellenspektrometern sein würden. Die derzeit verfügbaren pW-Leistungen mit typischen Photonenfrequenzen in der Größenordnung von 1014 Hz (sichtbarer - UV-Anteil des optischen Spektrums) sind völlig ungeeignet, was die erforderliche Detektionszeit für eine der Gravitationswellenquellen betrifft, die derzeit von bodenund raumgestützten Gravitationswellendetektoren anvisiert werden. Der Betrieb des HOM-Interferometers als GW-Spektrometer wird mit einem numerischen Modell veranschaulicht, das die von LIGO am 14 September 2015 (GW150914-Ereignis) aufgezeichneten Gravitationswellendehnungsdaten verwendet. Unter der Annahme einer Winkelgenauigkeit von μrad für die Messung der Polarisationsdrehung von Photonen könnten diese Messungen nur mit Armlängen des HOM-Interferometers in der Größenordnung von 10.000 km (nur im Weltraum erreichbar, wenn wir keine optischen Kavitäten verwenden) und unter Verwendung von verschwänkten Photonenquellen von etwa 1 W Leistung durchgeführt werden, die verschränkte Photonen mit Wellenlängen im Radiowellenbereich des elektromagnetischen Spektrumserzeugen, (10 MHz), und unter Verwendung von Photodetektoren mit minimaler Detektionszeit für einzelne Photonen und minimaler detektierbarer Leistung, die weit von den Möglichkeiten der gegenwärtigen Photodetektortechnologie entfernt sind. Auch die erforderliche Präzision der Uhrensynchronisation, um die Koinzidenz- Zählgeschichte zu erfassen, ist noch ange nicht erreicht. Obwohl die Technologie zur Herstellung der erforderlichen verschränkten Photonenquellen, Photodetektoren und Uhrensynchronisationsgenauigkeit derzeit nicht verfügbar sind, diskutieren wir verschiedene Missionsszenarien zur Implementierung eines großarmigen HOMInterferometers.:Contents 1 Introduction 1 2 Gravitational waves and their measurement 7 2.1 Theory of general relativity in a nutshell . . . . . . . . . . . . . . . . 8 2.2 On the physical nature of gravitational waves . . . . . . . . . . . . . 13 2.2.1 Effect of gravitational waves on the test masses of a detector . 15 2.2.2 Estimation of gravitational wave’s amplitude . . . . . . . . . . 18 2.2.3 Gravitational radiation luminosity and cross section of the Hydrogen atom to GWs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21 2.3 Measuring cosmic distances with GW astronomy . . . . . . . . . . . . 25 2.4 Influence of gravitational waves on photon’s polarization . . . . . . . 28 2.4.1 Effect of gravitational waves on the parallel transport of photon’s polarization four-vector - revisited . . . . . . . . . . . . 29 2.4.2 Effect of primordial gravitational waves on the polarization of the cosmic microwave background . . . . . . . . . . . . . . . 36 2.4.3 Gravitomagnetic Faraday effect . . . . . . . . . . . . . . . . . 40 2.5 Michelson type gravitational wave antennas . . . . . . . . . . . . . . 41 2.6 Rough estimation of the sensitivity and cross section of Michelson type detectors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42 3 Interaction of gravitational waves with Hong-Ou-Mandel interferometers 47 3.1 Fundamental nature of quantum entanglement in brief . . . . . . . . 47 3.2 Why a HOM interferometer to detect GWs? . . . . . . . . . . . . . . 50 3.3 Quantum mechanics of Hong-Ou-Mandel interferometers . . . . . . . 54 3.4 Principle of gravitational waves detection with a Hong-Ou-Mandel interferometer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59 3.5 Instrument noise budget . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68 3.6 Basic experimental requirements for HOM based gravitational waves detection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73 4 Gravitational waves spectrometry with a Hong Ou Mandel interferometer in space 77 4.1 Principles of gravitational waves spectrometry with a Hong-Ou-Mandel interferometer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77 4.2 Hong-Ou-Mandel spectrometer in geostationary orbit . . . . . . . . . 93 4.3 Hong-Ou-Mandel spectrometer scanner in space . . . . . . . . . . . . 95 5 HOMER mission scenarios for gravitational waves spectrometry - basic design requirements 97 5.1 HOMER mission design analysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98 5.1.1 HOMER GEO mission . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99 5.1.2 HOMER ground-GEO mission . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105 5.1.3 HOMER scanner mission . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106 5.2 Influence of earth gravitomagnetism on photon polarization . . . . . 106 5.3 Payload design . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115 5.4 Spacecraft design . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117 5.5 Summary of HOMER mission requirements . . . . . . . . . . . . . . 120 6 Outlook and conclusions 129 6.1 Outlook . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 129 6.1.1 HOM gravitational wave detector with optical cavities . . . . 129 6.1.2 Bright entangled heralded photon sources . . . . . . . . . . . 130 6.2 Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 131 7 ANNEX: Detailed derivation of gravitational waves and gravitoelectric and gravitomagnetic fields 137 7.1 Weak gravitational fields . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 137 7.2 General relativity for the practical physicist . . . . . . . . . . . . . . 138 7.3 Gravitational wave equation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 144 7.4 Gravitoelectromagnetic split of spacetime . . . . . . . . . . . . . . . 145 7.4.1 Gravitational scalar potential . . . . . . . . . . . . . . . . . . 147 7.4.2 Gravitomagnetic vector potential . . . . . . . . . . . . . . . . 147 7.4.3 Space curvature . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 149 7.5 Maxwell-type gravitational equations . . . . . . . . . . . . . . . . . . 151 7.6 Gravitomagnetic waves . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 155 7.7 The equations of motion in the weak field approximation . . . . . . . 156 7.8 Production of gravitational radiation . . . . . . . . . . . . . . . . . . 160 Bibliography 163

Das Wechselspiel zwischen String- und Eichtheorien hat in den letzten Jahren zu vielen neuen Einsichten geführt. Das herausragendste Beispiel ist die sogenannte AdS/CFT Korrespondenz, eine Dualität zwischen Stringtheorien auf Anti-de Sitter-Räumen (AdS) und konformen Eichtheorien auf deren Rand. Die Untersuchung von Stringtheorie auf ebenfrontigen Gravitationswellen, die sich im sogenannten Penrose-Limes aus AdS-Raumzeiten gewinnen lassen, erlaubt es, diese Dualität über die niederenergetische Supergravitationsnäherung hinausgehend zu überprüfen. Verallgemeinerte ebenfrontige Gravitationswellen sind auch für sich gesehen interessant, da sie eine grosse Klasse von Raumzeiten bilden, die exakte klassische Lösungen der Stringtheorie sind. In dieser Arbeit werden Aspekte der Stringtheorie auf ebenfrontigen Gravitationswellen untersucht. Besonderes Interesse gilt dabei der Verbindung dieser Stringtheorien zu Eichtheorien. Wechselwirkungen von Strings in derjenigen Gravitationswellen-Raumzeit mit maximaler Supersymmetrie werden im Rahmen der Lichtkegel-Stringfeldtheorie behandelt. Viele Ergebnisse, die für den Fall der flachen Minkowski-Raumzeit bekannt sind, werden dabei vollständig auf die komplizierteren ebenfrontigen Gravitationswellen verallgemeinert. Die führenden nicht-planaren Korrekturen zu den anomalen Dimensionen von Operatoren in der Eichtheorie, die eine duale Beschreibung von Stringzuständen liefern, werden innerhalb der Lichtkegel-Stringfeldtheorie reproduziert. / The interplay between string and gauge theory has led to many new insights in recent years. The most prominent example is the AdS/CFT correspondence, a duality between string theory on Anti-de Sitter (AdS) spaces and conformal gauge theories defined on their boundary. The study of string theory on plane wave backgrounds, which are connected to AdS by the Penrose limit, opens up the possibility of testing this duality beyond the low-energy supergravity approximation. Generalized plane wave geometries are interesting in themselves, as they provide a large class of exact classical space-time backgrounds for string theory. In this thesis aspects of string theory on plane wave backgrounds are studied, with an emphasis on the connection to gauge theory. String interactions in the plane wave space-time with maximal supersymmetry are investigated in the framework of light-cone string field theory. In the process, many results that had been found for the case of flat Minkowski space-time are generalized to the more complex plane wave background. The leading non-planar corrections to the anomalous dimensions of gauge theory operators dual to string states are recovered within light-cone string field theory.

In dieser Arbeit wird der Ansatz der Weltlinienquantenfeldtheorie (WQFT) zur Berechnung von Observablen des klassischen allgemeinen relativistischen Zweikörpersystems vorgestellt. Kompakte Körper wie Schwarze Löcher oder Neutronensterne werden im Rahmen einer effektiven Feldtheorie mit Weltlinienfeldern beschrieben. Die WQFT behandelt alle Weltlinienfelder gleichberechtigt mit dem Gravitationsfeld und ist definiert als die tree-level-Beiträge eines Pfadintegrals auf diesen Feldern. Zuerst wird die effektive feldtheoretische Beschreibung von kompakten Körpern mit Weltlinien und die post-Minkowski'schen Approximation der Streuung dieser Körpern vorgestellt. Die Einbeziehung des Spins wird mit besonderem Augenmerk auf ihre supersymmetrische Beschreibung in Form von antikommutierenden Grassmann-Variablen analysiert. Anschließend wird die WQFT mit einer Diskussion ihrer in-in Schwinger-Keldysh-Formulierung, ihrer Feynman-Regeln und Graphengenerierung sowie ihrer on-shell Einpunktfunktionen vorgestellt. Die Berechnung von Streuobservablen erfordert im Allgemeinen die Auswertung von Multi-Loop-Integralen, und wir analysieren die Zwei-Loop-Integrale, die in der dritten post-Minkowski'schen Ordnung der Weltlinienobservablen auftreten. Schließlich wenden wir uns den Ergebnissen der WQFT zu und beginnen mit der gravitativen Bremsstrahlung bei der Streuung zweier rotierender Körper. Diese Wellenform wird zusammen mit der Strahlungsinformation der Linear- und Drehimpulsflüsse diskutiert. Der gesamte abgestrahlte Drehimpuls führender post-Minkowski'schen Ordnung wird abgeleitet. Wir präsentieren dann die Ergebnisse des konservativen und strahlenden Impulses und des Spin-Kicks bei dritter post-Minkowski'scher Ordnung und quadratischer Ordnung in Spins zusammen mit der Abbildung der ungebundenen Ergebnisse auf einen konservativen (gebundenen) Hamiltonian bei der entsprechenden perturbativen Ordnung. / In this work the worldline quantum field theory (WQFT) approach to computing observables of the classical general relativistic two-body system is presented. Compact bodies such as black holes or neutron stars are described in an effective field theory by worldline fields with spin degrees of freedom efficiently described by anti-commuting Grassmann variables. Novel results of the WQFT include the gravitational bremsstrahlung at second post-Minkowskian order and the impulse and spin kick at third post-Minkowskian order all at quadratic order in spins. Next, the WQFT is presented with a comprehensive discussion of its in-in Schwinger-Keldysh formulation, its Feynman rules and graph generation and its on-shell one-point functions which are directly related to the scattering observables of unbound motion. Here, we present the second post-Minkowskian quadratic-in-spin contributions to its free energy from which the impulse and spin kick may be derived to the corresponding order. The computation of scattering observables requires the evaluation of multi-loop integrals and for the computation of observables at the third post-Minkowskian order we analyze the required two-loop integrals. Our discussion uses retarded propagators which impose causal boundary conditions of the observables. Finally we turn to results of the WQFT starting with the gravitational bremsstrahlung of the scattering of two spinning bodies. This waveform is discussed together with its radiative information of linear and angular momentum fluxes. Lastly we present the conservative and radiative impulse and spin kick at third post-Minkowskian order and quadratic order in spins together with the a conservative Hamiltonian at the corresponding perturbative order. The results obey a generalized Bini-Damour radiation-reaction relation and their conservative parts can be parametrized in terms of a single scalar.