Decoding gravitational wave signals from compact binary coalescences: towards next- generation detectors

Abstract

[eng] The detection of gravitational waves (GWs) has opened a new era in astrophysics. The first three observing runs of the Advanced LIGO and Advanced Virgo detectors (O1, O2, and O3) have led to the detection of over 90 GW events, all originating from compact object binaries. While the majority of these events have been identified as binary black hole (BBH) mergers, several binary neutron star (BNS) and neutron star–black hole (NSBH) mergers have also been observed. The final part of this thesis coincides with the ongoing fourth observing run (O4), which has already achieved a significantly higher detection rate, surpassing 200 detections halfway through the run. As detector sensitivities continue to improve, future observations by the LIGO–Virgo–KAGRA (LVK) Collaboration, along with upcoming facilities such as the Einstein Telescope (ET), Cosmic Explorer, and the LISA space mission, are expected to uncover a broader range of source properties. These observations will provide crucial insights into the strong-field regime of gravity, the population and evolution of compact objects, galaxy formation, cosmology, and fundamental tests of general relativity. Accurate and computationally efficient waveform models are essential for extracting the physical parameters of GW signals. As detector sensitivities improve, the demand for more accurate and versatile waveform templates becomes increasingly critical, see e.g.~reviews on the challenges for ET and LISA. This thesis contributes to the advancement of waveform modeling in three directions that are essential for improving model accuracy and extending coverage across the BBH parameter space. Although current inspiral-merger-ringdown (IMR) waveform models can accurately describe BBHs on quasi-circular (QC) orbits with aligned spins, several key regions of the parameter space remain poorly explored. These include binaries with generic spin orientations (which lead to orbital precession), systems with high or extreme mass ratios, and binaries on eccentric orbits - all of which are astrophysically motivated and relevant for upcoming GW observatories. This thesis aims to address these limitations and support the development of physically robust, generic BBH waveform models that will be essential for GW data analysis with future third-generation ground-based detectors and the LISA space mission. First, we present a model for predicting the remnant properties (final mass and spin) of spin-precessing BBHs in QC orbits across a wide range of mass ratios. By combining insights from numerical relativity and black hole perturbation theory, this model helps bridge the gap between the extreme and comparable mass ratio regimes. This work lays groundwork for the development of waveform models that are applicable across the full mass-ratio spectrum, which is particularly relevant for LISA, as it will be sensitive to high- and extreme-mass-ratio inspirals in the millihertz frequency band. Second, we introduce IMRPhenomTEHM, a new IMR phenomenological waveform model for aligned-spin, eccentric BBHs. This model incorporates post-Newtonian corrections atop the QC baseline IMRPhenomTHM and significantly reduces computational cost compared to other state-of-the-art eccentric models. Its computational efficiency makes it well-suited for large-scale Bayesian inference studies and a strong candidate for standard parameter estimation pipelines in current and future detector networks. Motivated by the performance and accuracy of the model, in the last part of the thesis we apply IMRPhenomTEHM to a reanalysis of selected GW events, investigating the detectability of eccentricity and assessing the robustness of current QC assumptions in GW parameter estimation. Our BBH parameter estimation studies identify evidence for eccentricity in two GW events from O3, GW200129 and GW200208_22, and reveal that the high-mass events GW190701 and GW190929 exhibit potentially eccentric features. Due to the proven efficiency of IMRPhenomTEHM, we reanalyze three NSBH events from GWTC-3, finding support for eccentricity in GW200105 and quasi-circular consistency for GW200115 and GW230529, while also highlighting the impact of systematic uncertainties related to signal duration, waveform model degeneracies, and data quality. These results underscore the importance of including eccentric waveform models in future analyses, particularly as the BBH population becomes increasingly diverse with upcoming observations. Accounting for these effects is crucial to mitigate potential biases in parameter estimation and to maximize the scientific output of next-generation GW detectors.

[cat] La detecció d’ones gravitacionals (OGs) ha obert una nova era en l’astrofísica. Els tres primers períodes d’observació dels detectors avançats LIGO i Virgo (O1, O2 i O3) han conduït a la detecció de més de 90 esdeveniments d’OGs, tots ells provinents de sistemes binaris d’objectes compactes. Tot i que la majoria d’aquests esdeveniments han estat identificats com a fusions de forats negres binaris (BBH), també s’han observat diverses fusions binàries d’estels de neutrons (BNS) i sistemes estel de neutrons–forat negre (NSBH). La part final d’aquesta tesi coincideix amb el quart període d’observació (O4), actualment en curs, que ja ha assolit una taxa de detecció significativament més alta, superant les 200 deteccions a meitat de la campanya. A mesura que la sensibilitat dels detectors continua millorant, s’espera que les futures observacions per part de la col·laboració LIGO–Virgo–KAGRA (LVK), juntament amb instal·lacions en desenvolupament com el Einstein Telescope (ET), el Cosmic Explorer i la missió espacial LISA, revelin una gamma més àmplia de propietats de les fonts. Aquestes observacions oferiran informació clau sobre el règim de camps gravitatoris intensos, la població i evolució d’objectes compactes, la formació de galàxies, la cosmologia i permetran proves fonamentals de la relativitat genera.

Els models de formes d’ona precisos i eficients computacionalment són essencials per extreure els paràmetres físics dels senyals d'OG. A mesura que la sensibilitat dels detectors millora, la necessitat de plantilles de forma d’ona més precises i versàtils esdevé cada cop més crítica; vegeu, per exemple, les revisions sobre els reptes per a l’ET i per a LISA. Aquesta tesi contribueix a l’avenç en la modelització de formes d’ona en tres direccions essencials per millorar la precisió dels models i ampliar-ne la cobertura dins de l’espai de paràmetres dels sistemes BBH. Tot i que els models actuals que inclouen inspiral-merger-ringdown (IMR) descriuen amb precisió BBHs en òrbites quasi-circulars (QC) amb espins alineats, hi ha regions clau de l’espai de paràmetres que encara són poc explorades. Aquestes inclouen sistemes amb orientacions d’espí genèriques (que indueixen precessió orbital), sistemes amb raons de massa altes o extremes i sistemes amb òrbites excèntriques, tots ells motivats astrofísicament i rellevants per als observatoris d’OGs de nova generació. Aquesta tesi té com a objectiu abordar aquestes limitacions i donar suport al desenvolupament de models de forma d’ona per a BBHs genèrics, físicament robustos, que seran essencials per a l’anàlisi de dades d’OGs amb els futurs detectors terrestres de tercera generació i la missió espacial LISA.

En primer lloc, presentem un model per predir les propietats del romanent (massa i espí finals) de sistemes BBH en òrbites QC amb precessió d’espins, cobrint el complet ventall de raons de massa. Combinant coneixements de relativitat numèrica i teoria de pertorbacions de forats negres, aquest model ajuda a connectar els règims de massa comparable i de raó de massa extrema. Aquest treball estableix les bases per al desenvolupament de models de forma d’ona aplicables a tot l’espectre de raons de massa, fet especialment rellevant per a LISA, que serà sensible a inspirals amb raons de massa altes o extremes en la banda de freqüència del mil·lihertz.

En segon lloc, introduïm IMRPhenomTEHM, un nou model fenomenològic IMR per a BBHs amb espins alineats i òrbites excèntriques. Aquest model incorpora correccions post-newtonianes sobre la base QC del model IMRPhenomTHM i redueix significativament el cost computacional en comparació amb altres models excèntrics d’última generació. La seva eficiència computacional el fa especialment adequat per a estudis bayesians a gran escala i un candidat sòlid per ser utilitzat en canals estàndard d’estimació de paràmetres en xarxes de detectors actuals i futures.

Motivats pel rendiment i la precisió del model, a la darrera part d’aquesta tesi apliquem IMRPhenomTEHM a una reanàlisi d’esdeveniments seleccionats d’OGs, investigant la detectabilitat de l’excentricitat i avaluant la robustesa de les suposicions actuals de quasi-circularitat en l’estimació de paràmetres. Els nostres estudis d’estimació de paràmetres per sistemes BBH identifiquen evidència d’excentricitat en dos esdeveniments de l’O3, GW200129 i GW200208_22 i revelen que els esdeveniments de gran massa GW190701 i GW190929 podrien presentar característiques excèntriques. Donada l’eficiència demostrada de IMRPhenomTEHM, reanalitzem tres esdeveniments NSBH del catàleg GWTC-3, trobant suport per a excentricitat a GW200105 i una consistència amb una evolució quasi-circular a GW200115, tot destacant també l’impacte d’incerteses sistemàtiques relacionades amb la durada del senyal, les degeneracions del model de forma d’ona i la qualitat de les dades. Aquests resultats posen de manifest la importància d’incloure models d’ones excèntriques en futures anàlisis, especialment a mesura que la població de BBH esdevé més diversa amb les noves observacions. Tenir en compte aquests efectes és clau per evitar possibles biaixos en l’estimació de paràmetres i per maximitzar el rendiment científic dels detectors de pròxima generació.

[spa] La detección de ondas gravitacionales (OGs) ha inaugurado una nueva era en la astrofísica. Los tres primeros periodos de observación de los detectores LIGO y Virgo (O1, O2 y O3) han dado lugar a la detección de más de 90 eventos de OGs, todos ellos originados por sistemas binarios de objetos compactos. Aunque la mayoría de estos eventos han sido identificados como fusiones de agujeros negros binarios (BBH), también se han observado varias fusiones de estrellas de neutrones binarias (BNS) y sistemas estrella de neutrones–agujero negro (NSBH). La parte final de esta tesis coincide con el cuarto periodo de observación (O4), actualmente en curso, que ya ha alcanzado una tasa de detección significativamente mayor, superando las 200 detecciones a mitad de la campaña. A medida que la sensibilidad de los detectores continúa mejorando, se espera que futuras observaciones por parte de la colaboración LIGO–Virgo–KAGRA (LVK), junto con instalaciones en desarrollo como el Einstein Telescope (ET), Cosmic Explorer y la misión espacial LISA, revelen una gama más amplia de propiedades de las fuentes de OGs. Estas observaciones ofrecerán información crucial sobre el régimen de campos fuertes de la gravedad, la población y evolución de objetos compactos, la formación de galaxias, la cosmología y permitirán realizar pruebas fundamentales de la relatividad general.

Los modelos de forma de onda precisos y computacionalmente eficientes son esenciales para la extracción de los parámetros físicos de señales de OG. A medida que la sensibilidad de los detectores mejora, la necesidad de plantillas de forma de onda más precisas y versátiles se vuelve cada vez más crítica; véanse, por ejemplo, las revisiones sobre los desafíos para ET y LISA. Esta tesis contribuye al avance de la modelización de formas de onda en tres direcciones clave, con el objetivo de mejorar la precisión de los modelos y ampliar la cobertura dentro del espacio de parámetros de los sistemas BBH. Aunque los modelos actuales de tipo inspiral-merger-ringdown (IMR) describen con precisión fusiones de BBHs en órbitas cuasi-circulares con espines alineados, existen aún regiones importantes del espacio de parámetros poco exploradas. Estas incluyen sistemas con orientaciones de espín genéricas (que inducen precesión orbital), sistemas con razones de masa altas o extremas y sistemas con órbitas excéntricas, todos ellos motivados desde el punto de vista astrofísico y relevantes para los detectores de OGs de próxima generación. Esta tesis busca abordar estas limitaciones y contribuir al desarrollo de modelos de forma de onda para BBHs genéricos, físicamente robustos, que serán fundamentales para el análisis de datos de OGs con los futuros detectores terrestres de tercera generación y la misión espacial LISA.

En primer lugar, presentamos un modelo para predecir las propiedades del remanente (masa y espín finales) de sistemas BBH en órbitas cuasi-circulares con precesión de espines, abarcando el completo rango de razones de masa. Combinando resultados de relatividad numérica y teoría de perturbaciones de agujeros negros, este modelo ayuda a conectar el régimen de masas comparables con el de razón de masa extrema. Este trabajo sienta las bases para el desarrollo de modelos de forma de onda aplicables a todo el espectro de razones de masa, lo cual es especialmente relevante para LISA, dado que será sensible a inspirales con razones de masa altas o extremas en la banda de frecuencia del milihertz.

En segundo lugar, introducimos IMRPhenomTEHM, un nuevo modelo fenomenológico IMR para BBHs con espines alineados y en órbitas excéntricas. Este modelo incorpora correcciones post-newtonianas sobre la base del modelo cuasi-circular IMRPhenomTHM y reduce significativamente el coste computacional en comparación con otros modelos excéntricos de última generación. Su eficiencia lo hace especialmente adecuado para estudios bayesianos a gran escala y un candidato sólido para ser integrado en los análisis estándar de estimación de parámetros, tanto en redes actuales como futuras de detectores.

Motivados por el rendimiento y la precisión del modelo, en la última parte de esta tesis aplicamos IMRPhenomTEHM a un reanálisis de eventos seleccionados de OGs, investigando la detectabilidad de la excentricidad y evaluando la robustez de las suposiciones actuales de cuasi-circularidad en la estimación de parámetros. Nuestros estudios de estimación de parámetros para sistemas BBH identifican evidencia de excentricidad en dos eventos de la tercera campaña de observación, GW200129 y GW200208_22 y revelan que los eventos de alta masa GW190701 y GW190929 podrían presentar características excéntricas. Gracias a la eficiencia demostrada de IMRPhenomTEHM, reanalizamos tres eventos NSBH del catálogo GWTC-3, encontrando soporte para excentricidad en GW200105 y una evolución cuasi-circular compatible en GW200115 y GW230529, al tiempo que destacamos el impacto de incertidumbres sistemáticas relacionadas con la duración de la señal, las degeneraciones del modelo de onda y la calidad de los datos. Estos resultados subrayan la importancia de incluir modelos de ondas excéntricas en análisis futuros, especialmente a medida que la población de BBH se vuelve cada vez más diversa con las nuevas observaciones. Tener en cuenta estos efectos es crucial para mitigar posibles sesgos en la estimación de parámetros y para maximizar el rendimiento científico de los detectores de OGs de próxima generación.