Study of Gravitational Waves using the LIGO/Virgo data

Abstract

La Relativitat General va predir l'existència d'ones gravitatòries l'any 1916. No obstant això, no va ser fins el 14 de setembre de 2015 que els interferòmetres LIGO van fer la primera detecció d'ones gravitatòries. Després de diverses anàlisis, es podria concloure que la font d'aquestes ones gravitatòries va ser la fusió d'un binari de forats negres, anomenat així per la seva data de detecció, GW150914. Fins a la data, aproximadament 100 deteccions han estat reclamades per la xarxa de dos interferòmetres LIGO i l'interferòmetre Virgo. Aquestes deteccions han estat possibles gràcies a l'augment de la sensibilitat dels detectors, fruit de diverses actualitzacions que han sofert els interferòmetres. Un dels principals culpables que compromet la sensibilitat és el soroll ambiental. Caracteritzar correctament aquests sorolls permet o bé restar-los de l'anàlisi o trobar possibles maneres de reduir-los. Un d'aquests sorolls és la llum dispersa, que es pot reduir utilitzant dispositius mecànics anomenats deflectors que absorbeixen aquesta llum. Aleshores, la llum dispersa absorbida es perd en la seva majoria. Tanmateix, la llum dispersa conté informació important sobre el dispersor. S'ha dissenyat un nou tipus de deflectors equipats amb fotodíodes per recuperar la informació de la llum dispersa que es perdia fins ara. Com a part de les actualitzacions de Advanced Virgo, aquests deflectors s'instal·laran al voltant de les masses de prova principals de l'interferòmetre.

Les ones gravitacionals no només són sondes importants de cossos astrofísics asimètrics massius, sinó que també poden sondar models més enllà del model estàndard a l'Univers inicial. Es creu que aquests models cosmològics, juntament amb la contribució d'un gran nombre d'objectes astrofísics no resolts, com ara estrelles de neutrons binaris i forats negres, generen un fons d'ones gravitacionals. La detecció d'aquest fons proporcionaria informació essencial sobre l'Univers molt primerenc. Tanmateix, l'amplitud d'aquest fons és molt inferior a la de les ones gravitatòries procedents de fusions de forats negres binaris. Per tant, es realitza una correlació creuada entre les dades de diferents interferòmetres per intentar estimar l'amplitud del fons, tot i que la sensibilitat actual dels detectors terrestres d'ones gravitatòries encara no és suficient per fer una detecció. No obstant això, s'ha derivat un formalisme rigorós que permet limitar els models que descriuen el rerefons. Com s'ha esmentat anteriorment, el fons es modela com la superposició d'una contribució astrofísica i una cosmològica. Dues d'aquestes fonts cosmològiques són les transicions de fase de primer ordre i els forats negres primordials, que es poden limitar segons el formalisme esmentat anteriorment.

La Relatividad General predijo la existencia de ondas gravitacionales en 1916. Sin embargo, no fue hasta el 14 de septiembre de 2015 que los interferómetros LIGO realizaron la primera detección de ondas gravitacionales. Después de varios análisis, se pudo concluir que la fuente de estas ondas gravitacionales fue la fusión de un binario de agujeros negros, llamado así por su fecha de detección, GW150914. Hasta la fecha, la red de dos interferómetros LIGO y el interferómetro Virgo han reclamado aproximadamente 100 detecciones. Estas detecciones han sido posibles gracias a la mayor sensibilidad de los detectores, resultado de varias actualizaciones que han sufrido los interferómetros. Uno de los principales culpables que compromete la sensibilidad es el ruido ambiental. La caracterización adecuada de estos ruidos permite sustraerlos del análisis o encontrar posibles formas de reducirlos. Uno de estos ruidos es la luz dispersa, que se puede reducir mediante el uso de dispositivos mecánicos llamados deflectores que absorben esta luz. La luz dispersada absorbida se pierde entonces en su mayor parte. Sin embargo, la luz dispersa contiene información importante sobre el dispersor. Se ha diseñado un nuevo tipo de deflectores equipados con fotodiodos para recuperar la información de la luz dispersa que se perdía hasta ahora. Como parte de las actualizaciones de Advanced Virgo, estos deflectores se instalarán alrededor de las principales masas de prueba del interferómetro.

Las ondas gravitacionales no son solo pruebas importantes de cuerpos astrofísicos asimétricos masivos, sino que también pueden probar modelos más allá del modelo estándar en el Universo primitivo. Se cree que estos modelos cosmológicos, junto con la contribución de una gran cantidad de objetos astrofísicos no resueltos, como estrellas de neutrones binarias y agujeros negros, generan un fondo de ondas gravitacionales. La detección de este fondo proporcionaría información esencial sobre el Universo muy primitivo. Sin embargo, la amplitud de este fondo es mucho menor que la de las ondas gravitacionales que provienen de fusiones de agujeros negros binarios. Por lo tanto, se realiza una correlación cruzada entre los datos de diferentes interferómetros para intentar estimar la amplitud del fondo, aunque la sensibilidad actual de los detectores terrestres de ondas gravitacionales aún no es suficiente para realizar una detección. Sin embargo, se ha derivado un formalismo riguroso que permite restringir los modelos que describen el fondo. Como se mencionó anteriormente, el fondo se modela como la superposición de una contribución astrofísica y una cosmológica. Dos de estas fuentes cosmológicas son las transiciones de fase de primer orden y los agujeros negros primordiales, que pueden restringirse de acuerdo con el formalismo mencionado anteriormente.

General Relativity predicted the existence of gravitational waves in 1916. However, it was not until September 14th, 2015 that the LIGO interferometers made the first gravitational wave detection. After several analyses, it could be concluded that the source of these gravitational waves was the merger of a binary of black holes, named after its detection date, GW150914. To this date, roughly 100 detections have been claimed by the network of two LIGO interferometers and the Virgo interferometer. These detections have been possible thanks to the increased sensitivity of the detectors, the result of several upgrades the interferometers have undergone. One of the main culprits that compromises the sensitivity is environmental noise. Properly characterizing these noises allows to either subtract them from the analysis or find possible ways to reduce them. One of these noises is scattered light, which can be reduced by using mechanical devices called baffles that absorb this light. The absorbed scattered light is then lost in its majority. However, scattered light contains important information about the scatterer. A new type of baffles instrumented with photodiodes has been designed to retrieve the information from scattered light that was lost until now. As part of the upgrades for Advanced Virgo, these baffles will be installed around the main test masses of the interferometer.

Gravitational waves are not just important probes of massive asymmetric astrophysical bodies, but they can also probe models Beyond the Standard Model in the early Universe. These cosmological models, alongside the contribution from a large number of unresolved astrophysical objects such as binary neutron stars and black holes, are believed to source a background of gravitational waves. The detection of this background would provide essential information about the very early Universe. However, the amplitude of this background is much lower than that of gravitational waves coming from mergers of binary black holes. Hence, a cross-correlation between data from different interferometers is performed to try to estimate the amplitude of the background, though the current sensitivity of the gravitational wave ground-based detectors is still not enough to make a detection. Nevertheless, a rigorous formalism has been derived that allows to constrain the models describing the background. As mentioned above, the background is modeled as the superposition of an astrophysical contribution and a cosmological. Two of these cosmological sources are first-order phase transitions and primordial black holes, which can be constrained according to the above-mentioned formalism.