Search for subsolar mass black holes in LIGO/Virgo using O3 data and the implementation of Machine Learning algorithms in the identification of Compact Binary Coalescence events

Abstract

Les ones gravitacionals han estat teoritzades per la relativitat general des de 1916, però no va ser fins al 14 de setembre de 2015 que es va confirmar la detecció dels interferòmetres LIGO. Des d’aleshores, els interferòmetres LIGO i Virgo han detectat uns 90 esdeveniments d’ones gravitatòries. Això va ser possible no només a causa de l’augment de la sensibilitat de la xarxa d’interferòmetres, sinó també a causa de la nostra comprensió creixent de les fonts de població i la distribució del soroll. Les ones gravitatòries ofereixen una nova finestra a l’univers i a la nostra comprensió dels forats negres. En particular, ens permeten sondejar diferents regions de massa, com per exemple, el rang de massa subsolar. Tot i que no s’ha detectat cap esdeveniment en aquest rang, una possible detecció implicaria noves físiques potencials i nous canals de formació. Els esdeveniments detectats s’han produït per la coalescència de dos objectes compactes (forats negres o estrelles de neutrons) i s’han detectat mitjançant canals de recerca dedicats. Aquestes canonades utilitzen una tècnica, coneguda com a filtre coincident, que cerca les dades correlacionant-les amb un conjunt de formes d’ona teòriques que descriuen les ones gravitatòries. L’eficàcia d’aquest mètode està limitada pels recursos computacionals disponibles, ja que requereix un mostreig dens de l’espai de paràmetres cercat. No obstant això, la tècnica de filtre coincident continua sent un enfocament robust per a la detecció d’ones gravitatòries. Els resultats d’aquesta tesi es divideixen en dues parts: En primer lloc, presentem els resultats de la recerca de massa subsolar realitzada dins de la col·laboració mitjançant el tercer recorregut d’observació i el filtre coincident. Ens centrarem en dos possibles canals de formació de forats negres subsolars: els forats negres primordials i els forats negres de matèria fosca, i proporcionarem límits a la seva abundància a l’univers. En segon lloc, dissenyem una tècnica d’aprenentatge automàtic per a la detecció d’ones gravitatòries a partir de la coalescència de dos objectes compactes. Cobrim un ampli ventall de l’espai de paràmetres i cerquem ones gravitatòries en la segona i tercera sèrie d’observació. Els resultats es comparen amb els esdeveniments del catàleg oficial.

Las ondas gravitacionales han sido teorizadas por la relatividad general desde 1916, pero no fue hasta el 14 de septiembre de 2015 que los interferómetros LIGO realizaron una detección confirmada. Desde entonces, los interferómetros LIGO y Virgo han detectado alrededor de 90 eventos de ondas gravitacionales. Esto fue posible no solo gracias al aumento de la sensibilidad de la red de interferómetros, sino también a nuestra creciente comprensión de las fuentes de población y la distribución del ruido. Las ondas gravitacionales brindan una nueva ventana al universo y nuestra comprensión de los agujeros negros. En particular, nos permiten sondear diferentes regiones de masas, como por ejemplo, el rango de masas subsolar. Aunque no se ha detectado ningún evento en este rango, una posible detección implicaría una nueva física potencial y nuevos canales de formación. Los eventos detectados han sido producidos por la coalescencia de dos objetos compactos (agujeros negros o estrellas de neutrones) y fueron detectados mediante pipelines de búsqueda dedicados. Estas tuberías utilizan una técnica, conocida como filtro combinado, que busca los datos correlacionándolos con un conjunto de formas de onda teóricas que describen las ondas gravitacionales. La eficacia de este método está limitada por los recursos computacionales disponibles, ya que requiere un muestreo denso del espacio de parámetros buscado. Sin embargo, la técnica de filtro combinado sigue siendo un enfoque sólido para la detección de ondas gravitacionales. Los resultados de esta tesis se dividen en dos partes: primero, presentamos los resultados de la búsqueda de masa subsolar realizada dentro de la colaboración utilizando la tercera ejecución de observación y el filtro coincidente. Nos centraremos en dos posibles canales de formación de agujeros negros subsolares: agujeros negros primordiales y agujeros negros de materia oscura, y proporcionaremos límites a su abundancia en el universo. En segundo lugar, diseñamos una técnica de aprendizaje automático para la detección de ondas gravitacionales a partir de la coalescencia de dos objetos compactos. Cubrimos una amplia gama del espacio de parámetros y buscamos ondas gravitacionales en la segunda y tercera serie de observación. Los resultados se comparan con los eventos del catálogo oficial.

Gravitational waves have been theorized by General relativity since 1916 but it was not until September 14th 2015 that a confirmed detection was made by the LIGO interferometers. Since then, about 90 gravitational wave events have been detected by the LIGO and Virgo interferometers. This was made possible not only due to the increase in sensitivity of the interferometer network, but also due to our rising understanding of the population sources and noise distribution. Gravitational waves provide a new window into the universe and our understanding of black holes. In particular, they allow us to probe different mass regions, as for example, the subsolar mass range. Even though no event has been detected in this range, a possible detection would imply potential new physics and new formation channels. The detected events have been produced by the coalescence of two compact objects (Black holes or neutron stars) and were detected by means of dedicated search pipelines. These pipelines use a technique, known as matched filter, that searches the data by correlating it with a set of theoretical waveforms describing the gravitational waves. The efficacy of this method is limited by the computational resources available, as it requires a dense sampling of the searched parameter space. Nevertheless, the matched filter technique remains as a robust approach for the detection of gravitational waves. The results of this thesis are divided into two parts: First, we present the results of the subsolar mass search carried out within the collaboration using the third observation run and matched filter. We will focus on two possible formation channels of subsolar black holes: primordial black holes and dark matter black holes, and provide limits to their abundance in the universe. Second, we design a machine learning technique for the detection of gravitational waves from the coalescence of two compact objects. We cover a broad range of the parameter space and we search for gravitational waves in the second and third observation runs. The results are compared with the official catalog events.