Sub-dominant modes of the gravitational radiation from compact binary coalescencesconstruction of hybrid waveforms and impact on gravitational wave searches

Resumen

Durante las últimas décadas, las colaboraciones científicas LIGO, Virgo y GEO600 entre otras, han dirigido sus esfuerzos hacia la primera detección de las ondas gravitacionales predecidas por la relatividad general de Einstein sin que, de momento, ninguna observación se haya producido. Durante este año y los siguientes, una nueva generación de detectores diez veces más sensibles que los anteriores explorará nuevamente el cosmos en busca de señales de ondas gravitacionales, lo que hace a la comunidad científica confiar en que estamos próximos a detectar dicho fenómeno por primera vez. De las posibles fuentes de ondas gravitacionales, unas de las más prometedoras son los sistemas compactos binarios (CBC), formados por parejas de agujeros negros y/o estrellas de neutrones. El proceso de detección de dicha radiación se basa en la técnica del filtro adaptado (matched filter en inglés), la cual exige un modelaje preciso de la señal que se espera detectar. Sin embargo, los modelos actuales empleados como filtro de dichas señales ignoran su contenido en armónicos superiores, considerando sólo su armónico dominante. En un símil musical, ésto es equivalente a modelar una orquesta considerando sólo, por ejemplo, los instrumentos de viento. Una CBC se divide en las etapas de inspiral, merger y ringdown. La radiación emitida durante la primera etapa, se puede calcular mediante técnicas analíticas aproximadas, en el marco de la teoría post- Newtoniana. Sin embargo, los fuertes campos gravitatorios y altas velocidades presentes durante la etapa de merger (en la que ambos objetos colisionan) hacen que sea necesario resolver las ecuaciones de Einstein completas, lo que sólo es posible en el marco de la relatividad numérica con la ayuda de superordenadores. Esta tesis se centra en el estudio de las consecuencias de la no consideración de los armónicos superiores en bu ́squedas actuales en términos de pérdida de eventos observados y errores en la medición de los parámetros de la correspondiente fuente. Para ello, primero se procederá a la construcción de señales de ondas gravitacionales de sistemas binarios incluyendo armónicos superiores. Ésto se realizará mediante la construcción de formas de onda híbridas, resultado de combinar modelos analíticos y numéricos, incluyendo en el proceso los armónicos superiores. Este proceso nos permitirá asimismo estudiar la precisión de la teoría post-Newtoniana y de las simulaciones numéricas a la hora de calcular dichos armónicos superiores y las correspondientes fuentes de error. Se obtiene que los cálculos post-Newtonianos están dominados por errores debidos a truncamiento mientras que el error dominante en las simulaciones numéricas es el debido a la finitud de la distancia a la fuente a la que la señal es extraída.En un segundo paso, usaremos las señales construídas como modelos de la señal gravitatoria real de sistemas binarios con espín y comprobaremos la eficiencia de los modelos actuales a la hora de detectar dichas senñles y estimar los parámetros del sistema. Los resultados indican que en el marco del diseño final de Advanced LIGO, se esperan pérdidas de un 10% de eventos para sistemas con cociente de masas q ≥ 6, no llegándose nunca a un 20%, y los errores en la estimación de parámetros son dominantes para sistemas de masa total M > 170M⊙ para un signal-to-noise ratio de ∼ 8. Sin embargo, en el caso de early Advanced LIGO, que entrará en funcionamiento este año, se esperan pérdidas de hasta un 26% para sistemas de alto cociente de masas y alta masa y los errores en la estimación de parámetros son dominantes para sistemas de masa total M > 80M⊙