Accurate models of gravitational wave signals from precessing black holes

Resum

El modelatge de formes d'ona gravitacional és un camp crucial per la correcta anàlisi d'esdeveniments d'ona gravitacional registrats pels observatoris actuals i futurs. Per a poder inferir correctament les característiques físiques de la font astrofísica d'un esdeveniment, és necessari disposar de models precisos i computacionalment eficients que poden ser emprats en mètodes bayesians d'estimació de paràmetres. Un dels enfocaments principals per al modelatge de formes d'ona és el marc fenomenològic, el qual ha produït models molt precisos per a la descripció de senyals generades per sistemes binaris de forats negres en òrbites quasi circulars en el domini de Fourier, a més de computacionalment molt eficients. No obstant això, les millores en la sensitivitat dels detectors fan necessari millorar la precisió i l'eficiència dels models actuals, i explorar nous enfocaments per al modelatge de sistemes genèrics. El principal objectiu d'aquesta tesi ha estat el desenvolupament d'un marc fenomenològic complementari en el domini temporal per al modelatge de sistemes binaris de forats negres. Treballar en el domini temporal permet dispensar algunes de les limitacions dels models a Fourier, especialment per a la descripció de sistemes amb espins genèrics, i permet assentar les bases per a les noves estratègies en el modelatge de senyals genèriques. En aquesta tesi es presenta una nova família de models fenomenològics al domini temporal. El nucli del projecte consisteix en un model per al mode dominant de sistemes amb espins alienats, IMRPhenomT, que proveeix expressions compactes per l'amplitud i la fase del mode dominant. El següent pas en el desenvolupament, ha estat la construcció d'un model per als harmònics subdominants, IMRPhenomTHM, crucials per trencar la degeneració entre la distància i la inclinació de les fonts i per a la correcta descripció dels sistemes asimètrics. Finalment, els models han estat estesos al modelatge de sistemes precessants mitjançant l'aproximació "twisting-up" IMRPhenomTPHM, oferint millores en la descripció dels angles precessants i un tractament més consistent d'aquests durant la coalescència i el posterior decaïment del sistema. Els models han estat calibrats amb simulacions numèriques precises en el sector no precessant, on els espins del sistema estan alienats amb el moment angular orbital, amb precisió comparable a la d'altres models de l'estat-de-l'art permetent una estimació de paràmetres precisa per a sistemes no precessants. L'extensió precessant, si bé encara no ha estat calibrada, presenta importants millores respecte als anteriors models en el domini de Fourier, a més de ser competitivament eficient, proporcionant una ferramenta útil en la validació de resultats dels models al domini de Fourier, i constituint una base complementària per l'estudi de calibratges genèrics. Finalment, aquesta tesi també presenta l'aplicació dels models en una reanàlisi del senyal GW190521, un dels esdeveniments d'ona gravitacional més interessants per les seves implicacions astrofísiques, realitzant un estudi detallat de diferents mètodes d'estimació de paràmetres i explotant la flexibilitat a la descripció física dels models.