Hierarchical data-driven modelling of binary Black hole mergers

Resumen

A lo largo de la historia, el ser humano ha recibido e interpretado la informaci´on recibida del cielo por medio de las ondas electromagn´eticas (la luz) provenientes de las estrellas y galaxias m´as lejanas. Tanto es as´ı, que hasta finales de 2015 este hab´ıa sido el ´unico medio utilizado por la comunidad cient´ıfica para observar y estudiar los eventos astrof´ısicos que suceden en nuestro cosmos. No obstante, el 14 de septiembre de 2015 se abre una nueva ventana de observaci´on al universo gracias a la primera detecci´on directa de las ondas gravitacionales, concluyendo el esfuerzo perseguido desde hace d´ecadas por las colaboraciones cient´ıficas LIGO y Virgo. Las ondas gravitacionales son min´usculas oscilaciones del espacio-tiempo que se propagan a la velocidad de la luz. Su descripci´on te´orica surge de la teor´ıa de la relatividad general de Albert Einstein y debido a su d´ebil interacci´on con la materia, necesitamos de los eventos astrof´ısicos m´as catastr´oficos para poder detectarlas. La primera detecci´on de las ondas gravitacionales fue consistente con la aproximaci´on, colisi´on y estabilizaci´on de dos agujeros negros de 36 y 29 masas solares a 1300 millones de a˜nos luz los cuales liberaron alrededor del 5% de su masa en forma de d´ebiles ondas del espacio-tiempo, siendo el evento astrof´ısico m´as potente jam´as observado. Dicho evento fue llamado GW150914 de acuerdo con su fecha de observaci´on y fue p´ublicamente anunciado el 11 de Febrero de 2016 por la colaboraci´on LIGO-Virgo. Sin embargo, este no ha sido el ´unico evento observado en el transcurso de esta tesis doctoral. Siendo fiel a los requisitos estad´ısticos que confirman o desestiman qualquier detecci´on, se puede certificar la observaci´on de al menos un evento m´as tambi´en compatible con la colisi´on de dos agujeros negros llamado GW151226 y habiendo un tercero el cual no llegar´ıa a los m´ınimos requisitos estad´ısticos para ser confirmado llamado LVT151012. La fusi´on de sistemas binarios de agujeros negros son un candidato ´optimo para la observaci´on y estudio de las ondas gravitacionales. Las predicciones actuales apuntan a este tipo de eventos como los m´as frecuentes en los detectores terrestres LIGO. Para una ´optima caracterizaci´on de las ondas observadas necesitamos los modelos te´oricos m´as precisos. En esta tesis se han trabajado y mejorado los llamados modelos fenomenol´ogicos de ondas gravitacionales en sistemas sin precesi´on, es decir, en el que el plano de la ´orbita es fijo. Estos, modelan las ondas a trav´es del acoplamiento de las conocidas soluciones anal´ıticas como las ofrecidas por los modelos post-Newtonianos (PN) y las formulaciones effective-one-body (EOB) con los resultados de las computacionalmente costosas soluciones num´ericas de las ecuaciones de Einstein. Son modelos de onda definidos en el espacio de frecuencias que dependen de la relaci´on de masas de los agujeros negros as´ı como del llamado esp´ın efectivo χeff que no es m´as que el resultado de la combinaci´on de las componentes perpendiculares al plano de la ´orbita de los dos espines y con el que se consigue reducir la dimensi´on del espacio de par´ametros a solo dos componentes. As´ı y todo, a pesar de que estos modelos responden suficientemente bien a los resultados de las b´usquedas de las ondas gravitacionales, no son tan ´optimos en la inferencia estad´ıstica de los espines de cada uno de los objetos debido a la degeneraci´on inherente en la definici´on del esp´ın efectivo. El foco de esta tesis ha sido la extensi´on de los modelos fenomenol´ogicos de un solo esp´ın a modelos de dos espines en los que se ha a˜nadido la dependencia subdominante de la diferencia de espines ∆χ = χ1 − χ2. Con este fin, se han tenido que utilizar los datos de m´as de 400 simulaciones de sistemas binarios de agujeros negros de 4 c´odigos diferentes (BAM, SpEC, LAZEV, MAYA) de las cuales 23 se han obtenido en el transcurso de esta tesis con el c´odigo BAM y que ha conllevado la dif´ıcil tarea de la evoluci´on, extracci´on de las ondas gravitacionales y postprocesamiento de la se˜nal. As´ı, y para mejorar los modelos existentes, se ha redefinido la estrategia en la construcci´on y adici´on de elementos subdominantes a los ansaetz¨e bidimensionales en los que adem´as se han usado los resultados anal´ıticamente conocidos en los que un agujero negro es mucho mayor que el otro. Todo esto ha conclu´ıdo en la prescripci´on de nuevos modelos fenomenol´ogicos para la masa total radiada, el esp´ın final y el pico de luminosidad. Estos modelos han demostrado mejorar las descripciones antiguas para estas cantidades, desvelando de forma clara el posible impacto de los efectos subdominantes en futuros modelos fenomenol´ogicos de ondas gravitacionales.