Extreme-Mass-Ratio Inspirals: Modelling and Test of an Alternative Theory of Gravity
- Autores: Priscilla Cañizares Martínez
- Directores de la Tesis: Carlos Fernández Sopuerta (dir. tes.)
- Lectura: En la Universitat Autònoma de Barcelona ( España ) en 2011
- Idioma: inglés
- Tribunal Calificador de la Tesis: José Alberto Lobo Gutiérrez (presid.), Alicia Magdalena Sintes Olives (secret.), Leor Barack (voc.)
- Materias:
- Enlaces
- Resumen
Extreme-Mass-Ratio Inspirals (EMRIs) són sistemes binaris que estan compostos per Objectes Estel.lars Compactes (OECs) orbitant al voltant de Forats Negres Massius (FNMs) situats als centres galàctics. Aquests sistemes són una de les fonts pricipals d’Ones Gravitacionals (OGs) per detectors espacials com l’antena espacial LISA (Laser Interferometer Space Antenna). Un EMRI emet senyals molt llargs i complexes dintre del fort camp gravitatori del FNM. Aquests senyals porten codificada l’estructura del FNM. Per aquest motiu, les OGs procedent d’EMRIs són una font valuosa per estudiar els FNMs situats als centres galàctics i la ciencia relacionada amb ells. En aquesta tesi estudiem dos aspectes diferents dels EMRIs: El seu modelatge i l’estimació dels paràmetres del sistema a partir dels seus senyals gravitatoris. La primera part d’aquesta tesi està dedicada al modelatge d’EMRIs, necessari per obtenir les formes d’ona de les OGs que farem servir en la seva detecció. Per aquest motiu, necessitem conèixer com el camp gravitatori del OEC afecta la seva propia trajectoria i el desvia d’un moviment geodèsic. En aquest sentit, degut a la gran diferència entre les masses del sistema, podem considerar l’OEC com a una partícula sense estructura que orbita en una geodèsica del FNM. En aquesta representació, la caiguda en espiral del OSC al voltant del FNM ve descrita per l’acció d’una autoforça local, la qual altera el moviment geodèsic de la partícula. No obstant, la implementació d’aquest mecanisme presenta diverses dificultats, degut principalment a que la descripció de l’OEC com un punt introdueix distribucions del tipus delta de Dirac. Aixó a la pràctica significa que hem de tractar amb escales temporals i espacials molt diferents, les quals estan associades al modelatge del FNM i al modelatge de l’OEC. En aquesta tesi presentem un mètode novel, el qual anomenem l’esquema de la Particle-without-Particle (PwP), que proporciona cálculs molt precisos i eficients de l’autoforça en el domini temporal, el que fa de la nostra tècnica adequada pels càlculs intensius que es requereixen en els escenaris astrofísics relevants. El punt clau del nostre métode és que no resolvem l’OEC. En el seu lloc, evitem incloure la seva presència en el (multi-)domini computacional, sustituint la delta de Dirac per condicions de contorn. Conseqüentment, només hem de proporcionar la resolució numèrica necessaria per descriure el camp aprop l’OSC, però no l’OSC mateix. D’aquesta manera tots el problemes relacionats amb la resolució d’una escala petita desapareixen. El treball desenvolupat en aquesta tesi, pot ser millorat in termes de temps de computació i putser en precisió si explorem diferent tècniques per portar el els contorns exteriors del domini computacional més aprop de la parícula sense degradar la precissió dels valors del camp a prop d’ella. Aixó es podria fer millorant les condicions de contorn exteriors o compactificant el domini físic. Hi han dos possibilitats més que podem explorar per fer els nostres càlculs més rápids, que són: (i) Reduïr el pas temporal de les nostres evolucions numèriques i (ii) paral.lelitzar el nostre codi i fer servir ordinadors amb múltiples cors (encara que aixó no incrementaria el temps de CPU). Degut a que en le cas d’un FNM de tipus Schwarzschild, com el presentat en aquesta tesi, els diferents modes no estan acoplats, en pricipi això no hauria de ser una tasca difícil d’assolir. A més a més, podem fer servir extrapol.lacions Richardson per millorar l’estimació dels valosrs de l’autoforça. Aquestes millores es poden aplicar perfectament dintre del nostre marc computacional i ténen un potencial significatiu per milloar l’eficiència dels nostres càlculs. Finalment, l’objectiu principal de la formulació presentada en aquesta tesi és desenvolupar un mètod acurat i eficient per calcular l’autoforça en situacions d’interés físic. En particular, per sistemes d’interés pel futur observatory espacial LISA. Aixó significa extendre aquestes tècniques pel cas gravitatori i per FNs amb rotació. En aquest sentit, hem de fer menció que encara que transferir les nostres técniques al cas gravitatori és directe, fer el mateix pel cas d’un FN en rotiació requereix noves millores que seran l’objectiu d’investigacions futures. En la segona part de la tesi, investiguem si és o no possible fer servir observacions d’EMRIs per testejar una determinada teoria de la Gravetat, en particular la teoria Dinàmica Chern- Simons de la Gravetat Modificada (DCSGM). La idea és que l’OEC orbita en la part més profunda del potencial gravitatori del FNM, això és els sistemes EMRI emeten OGs desde la regió de camp gravitatori fort del FNM. D’aquesta manera, la forma i el ritme de les OGs emesses pel sistema porten codificades l’estructura de l’espaitemps del FNM i la forma en la que les freqüències característiques del sistema evolucionen. Aquesta informació és la que ens permet realitzar tests de la RG. Amb aquesta finalitat, hem obtingut les forma d’ona emesses per l’OEC en una geometria del FNM que ha sigut modificada amb correccions Chern-Simons (CS). L’estimació dels paràmetres del sistema s’ha dut a terme fent servir anàlisis de Fisher matrix. Hem començat estudiant un sistema típic EMRI en RG i hem trobat que els nostres resultats coincidien amb resultats previs que es troven en la literatura. Seguidament, hem realitzat estudis d’estimacions de paràmetres per determinar l’habilitat de LISA per distingir entre RG i DCSGM, en particular per estimar el paràmetre de CS , el qual diferencia les mètriques de la DCSMG i de la RG. Amb aquesta finalitat, hem realitzat simulacions d’un sistema EMRI que cau en el punt de la banda de LISA amb sensibilitat màxima i que hem fet evolucionar durant els sis mesos abans de la col.lisió de l’OSC amb el FNM. Els nostres reultats indiquen que per determinats sistems EMRI, un detector com LISA podría discriminar entre RG i DCSGM. També hem vist que l’error en estimar disminueix amb la massa del FNM. Per tal de millorar els nostres reusltats, voldriem realitzar un estudi més exhaustiu de l’espai de paràmetres dels EMRIs. En un futur voldriem estudiar tòpics com ara comparar o esimar els errors que poden sorgir fent servir formes d’ones de RG per detectar EMRIs en DCSGM. A tal efecte, hem d’estimar la magnitud de l’error del nostre model. Ens agradaria extrendre l’estudi presentat en aquesta tesis per altres detectors d’OGs com, per exemple, Intermediate-Mass-Ratio Inspirals (IMRIs) en l’Einstein Telescope.
