Accurate models of gravitational wave signals from precessing black holes

Resumen

El modelado de formas de onda gravitacional es un campo crucial para el correcto análisis de eventos de onda gravitacional registrados por los observatorios actuales y futuros. Para poder inferir correctamente las características físicas de la fuente astrofísica de un evento, es necesario disponer de modelos precisos y computacionalmente eficientes que puedan ser empleados en métodos bayesianos de estimación de parámetros. Uno de los enfoques principales para el modelado de formas de onda es el marco fenomenológico, el cual ha producido modelos muy precisos para la descripción de señales generadas por sistemas binarios de agujeros negros en órbitas cuasi-circulares en el dominio de Fourier, además de computacionalmente muy eficientes. No obstante, las mejoras en la sensitividad de los detectores hacen necesario mejorar la precisión y la eficiencia de los modelos actuales, y explorar nuevos enfoques para el modelado de sistemas genéricos. El principal objetivo de esta tesis ha sido el desarrollo de un marco fenomenológico complementario en el dominio temporal para el modelado de sistemas binarios de agujeros negros. Trabajar en el dominio temporal permite dispensar algunas de las limitaciones de los modelos en Fourier, especialmente para la descripción de sistemas con espines genéricos, y permite sentar las bases para nuevas estrategias en el modelado de señales genéricas. En esta tesis se presenta una nueva familia de modelos fenomenológicos en el dominio temporal. El núcleo del proyecto consiste en un modelo para el modo dominante de sistemas con espines alineados, IMRPhenomT, que provee expresiones compactas para la amplitud y la fase del modo dominante. El siguiente paso en el desarrollo ha sido la construcción de un modelo para los armónicos subdominantes, IMRPhenomTHM, cruciales para romper la degeneración entre la distancia y la inclinación de las fuentes y para la correcta descripción de sistemas asimétricos. Finalmente, los modelos han sido extendidos al modelado de sistemas precesantes mediante la aproximación ``twisting-up'' IMRPhenomTPHM, ofreciendo mejoras en la descripción de los ángulos precesantes y un tratamiento más consistente de estos durante la coalescencia y el posterior decaimiento del sistema. Los modelos han sido calibrados con simulaciones numéricas precisas en el sector no precesante, donde los espines del sistema estan alineados con el momento angular orbital, con precisión comparable a la de otros modelos del estado-del-arte y permitiendo una estimación de parámetros precisa para sistemas no precesantes. La extensión precesante, aunque todavía no ha sido calibrado, presenta importantes mejoras respecto a los anteriores modelos en el sistema de Fourier, además de ser competitivamente eficiente, proporcionando una herramienta útil en la validación de resultados de los modelos en Fourier-domain, y constituyendo una base complementaria para el estudio de calibraciones genéricas. Finalmente, esta tesis también presenta la aplicación de los modelos en un reanálisis de la señal GW190521, uno de los eventos de onda gravitacional más interesantes por sus implicaciones astrofísicas, realizando un estudio detallado de diferentes métodos de estimación de parámetros y explotando la flexibilidad en la descripción física de los modelos.