Hierarchical data-driven modelling of binary Black hole mergers

Résumé

Al llarg de la història, l'ésser humà ha rebut i interpretat la informació arribada del cel per mitjà de les ones electromagnètiques (la llum) provinent dels estels i galàxies més llunyanes. Tant és així, que fins el 2015 aquest hauria sigut pràcticament l'únic mitjà emprat per la comunitat científica per a observar i estudiar els esdeveniments astrofísics que succeeixen en el nostre cosmos. No obstant, el 14 de setembre de 2015 s'obri una nova finestra d'observació a l'univers gràcies a la primera detecció directe de les ones gravitacionals concloent l'esforç perseguit des de fa dècades per les col·laboracions científiques LIGO i Virgo. Les ones gravitacionals són minúscules oscil·lacions de l'espai-temps que es propaguen a la velocitat de la llum. La seva descripció teòrica sorgeix de la teoria general de la relativitat d'Albert Einstein i degut a la seva feblesa, necessitem dels esdeveniments astrofísics més catastròfics per a poder detectar-les. La primera detecció de les ones gravitacionals fou consistent amb l'aproximació, col·lisió i estabilització de dos forats negres de 36 i 29 masses solars a 1300 milions d'anys llum els quals alliberaren al voltant del 5% de la seva massa en forma de febles ones de l'espai-temps, essent l'esdeveniment astrofísic més potent mai observat. Aquest esdeveniment fou anomenat GW150914 d'acord amb la data d'observació i fou anunciat públicament anunciat l'11 de Febrer del 2016 per la col·laboració LIGO-Virgo. No obstant, aquest no ha sigut l'únic esdeveniment observat en el temps de desenvolupament d'aquesta tesi doctoral. Essent fidel als requeriments estadístics que confirmen o desestimen qualsevol detecció, es pot certificar l'observació d'almenys dos esdeveniments més també compatible amb la col·lisió de dos forats negres anomenats GW151226 i GW170104 i havent-hi un quart el qual no va arribar als mínims estadístics establerts anomenat LVT151012. La fusió de sistemes binaris de forats negres són un candidat òptim per a l'observació i estudi de les ones gravitacionals. Les prediccions actuals apunten a aquests tipus d’esdeveniments com els més freqüents en els detectors terrestres LIGO. Llavors, per a una òptima caracterització de les ones observades es necessiten també dels models teòrics més precisos. En aquesta tesi s'han treballat i millorat els anomenats models fenomenològics d'ones gravitacionals en sistemes no precessants, és a dir, en el que el pla de l'òrbita és fix. Aquests, modelen les ones gravitacionals per mitjà de l'acoblament de les ben conegudes solucions analítiques com les basades en models post-Newtonians (PN) i les formulacions effective-one-body (EOB) amb els resultats de les computacionalment costoses solucions numèriques de les equacions d'Einstein. Són models d'ona definits a l'espai de freqüència que depenen de la relació de masses dels forats negres així com de l'anomenat espí efectiu �eff, que no és més que el resultat de la combinació de les components perpendiculars al pla de l'òrbita dels dos espins reduint així la dimensió de l'espai de paràmetres a sols dues components. Així i tot, malgrat que els models actuals responen prou bé als resultats de les cerques d'ones gravitacionals, no són tan òptims per a la inferència estadística dels espins de cadascun dels objectes degut a la degeneració inherent en la definició de l'espí efectiu. El focus d'aquesta tesi ha sigut l'extensió dels models fenomenològics d'un sol espí a models de dos espins en els que s'ha afegit la dependència subdominant de la diferència d'espí Δ� = �1 – �2. Per a arribar a aquest fi, s'han hagut d'emprar les dades de més de 400 simulacions de sistemes binaris de forats negres de 4 codis diferents (BAM, SpECc, LAZEV, MAYA) de les quals 23 s'han obtingut en el transcurs d'aquesta tesi amb el codi BAM i que comporta l'àrdua tasca de l'evolució, extracció de les ones gravitacionals i postprocessament de la senyal. Així, i per a millorar els models existents, s'ha redefinit l'estratègia en la construcció i addició d'elements subdominants als ansaetze bidimensionals en els que a més a més s'han inclòs els resultats coneguts del límit en què un forat negre és molt més gran que l'altre. Tot això ha resultat en nous models fenomenològics per a la massa total radiada, l'espí de l'objecte final i el pic de lluminositat. Aquests models han demostrat millorar les descripcions antigues d'aquestes quantitats fent patent de forma clara el possible impacte dels efectes subdominants en els futurs models fenomenològics d'ones gravitacionals. En particular, tant els models d’ona com els valors obtinguts per a la massa final, espí final i pic de lluminositat han sigut emprats i citats en alguns dels articles corresponents a cadascuna de les novells primeres deteccions d’ones gravitacionals.