Waveform modelling of binary black holes in the advanced ligo era

Abstract

[eng] The focus of this thesis is the development of accurate and computationally efficient waveform models for the description of the signal of non-precessing and precessing blackhole binary systems detected by the LIGO-Virgo detectors. Waveform models play a key role in the detection and parameter estimation of gravitational wave signals. The more accurate these models are, the more signals can be detected, but even more importantly, inaccuracies in the signal description will lead to systematic errors for the estimated parameters of the source. The models presented in this thesis include the description of several subdominant effects, which were not considered in the studies during the two first observation runs O1 and O2 of the LIGO-Virgo interferometers, but break degeneracies in the signal and generally improve the accuracy of parameter estimation. During the gap between the O2 and O3 runs several research groups have incorporated the most important subdominant harmonics into their models. However, we find that the models presented in this thesis improve the accuracy of several of these models and outperform in computational efficiency to all of them. The non-precessing model follows the standard strategy of the phenomenological models of calibrating an analytical ansatz to numerical relativity simulations. I produced a number of these simulations specifically for the calibration of the model placing them strategically in regions of the parameter space poorly populated. I also produced several waveforms in the extreme mass ratio (EMRI) limit extending the calibration region of the model from mass ratio 1 to 1000. On the other hand, the precessing model follows the standard technique of twisting-up a nonprecessing model but extended in this case to a model with subdominant harmonics. The evaluation of the models is then accelerated by incorporating the interpolation technique of “multibanding”, originally introduced by Vinciguerra et. al. I have extended this technique, adapted it to the two frequency domain models presented in this thesis, and formulated the technique in a way to make it applicable to any analytical frequency or time domain model.

[spa] El objetivo de esta tesis es el desarrollo de modelos de forma de onda precisos y computacionalmente eficientes para la descripción de la señal de sistemas binarios de agujero negros sin precesión y con precesión detectados por los detectores LIGO-Virgo. Los modelos de forma de onda juegan un papel clave en la detección y estimación de parámetros de señales de ondas gravitacionales. Cuanto más precisos sean estos modelos, más señales se pueden detectar, pero aún más importante, las inexactitudes en la descripción de la señal conducirán a errores sistemáticos para los parámetros estimados de la fuente. Los modelos presentados en esta tesis incluyen la descripción de varios efectos subdomiantes, que no se consideraron en los estudios durante las dos primeras ejecuciones de observación O1 y O2 de los interferómetros LIGO-Virgo, pero rompen las degeneraciones en la señal y generalmente mejoran la precisión de la estimación de parámetros. Durante la brecha entre las ejecuciones de O2 y O3, varios grupos de investigación han incorporado los armónicos subdominantes más importantes en sus modelos, sin embargo, encontramos que los modelos presentados en esta tesis mejoran la precisión de varios de estos modelos y superan en eficiencia computacional a todos ellos. El modelo sin precesión sigue la estrategia estándar de los modelos fenomenológicos de calibración de una respuesta analítica a simulaciones de relatividad numérica. Produje varias de estas simulaciones específicamente para la calibración del modelo colocándolas estratégicamente en regiones del espacio de parámetros poco pobladas. También elaboré una serie de formas de onda en el límite de la relación de masa extrema que extiende la región de calibración del modelo desde la relación de masa 1 a 1000. Por otro lado, el modelo de precesión sigue la técnica estándar de “twisting-up” de un modelo sin precesión, pero se extiende en este caso a un modelo con armónicos subdominantes. La evaluación de los modelos es acelerada incorporando la técnica de interpolación de “multibanding”, originalmente presentada por Vinciguerra et. al. He ampliado esta técnica, la he adaptado a los dos modelos de dominio de frecuencia presentados en esta tesis y he formulado la técnica de manera que sea aplicable a cualquier modelo analítico de frecuencia o dominio de tiempo.

[cat] L’objectiu d’aquesta tesi és el desenvolupament de models de forma d’ona precisos i computacionalment eficaços per a la descripció del senyal de sistemes binaris de forat negre no precessant i precessant detectats pels detectors LIGO-Virgo. Els models de forma d’ona tenen un paper clau en la detecció i l’estimació de paràmetres de senyals d’ona gravitacional. Com més precisos siguin aquests models, més senyals es poden detectar, però encara més important, les inexactituds en la descripció del senyal conduiran a errors sistemàtics per als paràmetres estimats de la font. Els models presentats en aquesta tesi inclouen la descripció de diversos efectes subdominants, que no es van considerar en els estudis durant els dos primers períodes d’observació O1 i O2 dels interferòmetres LIGO-Virgo, però trenquen degeneracions en el senyal i milloren generalment la precisió de l’estimació de paràmetres. Durant el període entre les execucions de O2 i O3, diversos grups de recerca han incorporat als seus models els harmònics subdominants més importants, no obstant trobem que els models presentats en aquesta tesi milloren la precisió de diversos d’aquests models i superen en eficiència computacional a tots ells. El model no precessant segueix l’estratègia estàndard dels models fenomenològics de calibració d’un ansatz analític a simulacions de relativitat numèrica. Vaig produir una sèrie d’aquestes simulacions específicament per a la calibració del model situant-les estratègicament en regions de l’espai de paràmetres mal poblats. També vaig produir diverses formes d’ona en el límit de la proporció massiva extrema que va ampliar la regió de calibració del model des de la relació de massa 1 a 1000. D’altra banda, el model precessant segueix la tècnica estàndard de retorçar un model no precessant, però estès en aquest cas a un model amb harmònics subdominants. L’avaluació dels models s’accelera després incorporant la tècnica d’interpolació de "multibanding", originalment introduïda per Vinciguerra et. al. He ampliat aquesta tècnica, l’he adaptat als dos models de domini de freqüència presentats en aquesta tesi i he formulat la tècnica per tal de fer-la aplicable a qualsevol model de domini de freqüència o analítica.