Resumen de Accurate models of gravitational wave signals from precessing black holes
- español
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.
- English
Gravitational waveform modelling is a crucial field for the accurate analysis of gravitational wave events registered by current and futures observatories. To infer properly the physical characteristics of the astrophysical source of an event it is necessary to use accurate and computationally efficient models that could be employed in Bayesian inference methods for parameter estimation. One of the main waveform modelling approaches is the phenomenological framework, which has produced very accurate and efficient models for the signals generated by binary black-hole coalescing systems in quasi-circular orbits, constructed in the Fourier-domain for an optimal efficiency of the models. Nevertheless, the improvements in the sensitivity of the detectors make it necessary to further improve upon the accuracy and efficiency of current models, and to explore new avenues for modelling generic systems. The main goal of this thesis has been the development of a complementary phenomenological framework in the time domain for binary black-hole coalescing signals. Working in the time domain allows to dispense with some of the limitations of the Fourier-domain models, especially regarding the description of generic spin precessing systems, and to establish the foundations for future modelling strategies towards the description of generic systems.
In this thesis, I present a new family of phenomenological waveform models, which is constructed in the time-domain. The core of the modelling framework is a model for the dominant gravitational wave harmonic for aligned-spin systems, IMRPhenomT, which provides closed-form expressions for the amplitude and phase of the dominant mode. The next step is the construction of a model covering sudominant harmonics, IMRPhenomTHM, which are crucial for breaking the inclination-distance degeneracy in the signals and for an accurate description of asymmetric systems. Finally the models are extended to model generic-spin binary systems, IMRPhenomTPHM, via the ``twisting-up'' approximation, offering several improvements in the description of the precession angles and a more consistent treatment of those during the coalescence and the ringdown of the system. The new models have been calibrated to accurate numerical simulations in the non-precessing sector, where the spins of the system are aligned with the orbital angular momentum of the system, with an accuracy comparable to other state-of-the-art multimode waveform models, allowing an accurate inference of the source parameters for non-precessing systems. The precessing extension, although not yet calibrated, presents several improvements with respect to previous Fourier-domain models; it provides a valuable tool in the validation and systematic study of parameter estimation results, and a complementary basis for the study of future generic calibrations. This thesis also presents the application of the models in the re-analysis of the gravitational wave event GW190521, one of the most interesting detections due to its astrophysical interpretations, performing a detailed study of the impact of several parameter estimation codes and exploiting the flexibility of the models in the physical description of precession.
- català
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.
