Roberto Cotesta

• In the last five years, gravitational-wave astronomy has gone from a purerly theoretical field into a thriving experimental science. Several gravitational- wave signals, emitted by stellar-mass binary black holes and binary neutron stars, have been detected, and many more are expected in the future as consequence of the planned upgrades in the gravitational-wave detectors. The observation of the gravitational-wave signals from these systems, and the characterization of their sources, heavily relies on the precise models for the emitted gravitational waveforms. To take full advantage of the increased detector sensitivity, it is then necessary to also improve the accuracy of the gravitational-waveform models. In this work, I present an updated version of the waveform models for spinning binary black holes within the effective-one-body formalism. This formalism is based on the notion that the solution to the relativistic two- body problem varies smoothly with the mass ratio of the binary system, from the equal-mass regime to theIn the last five years, gravitational-wave astronomy has gone from a purerly theoretical field into a thriving experimental science. Several gravitational- wave signals, emitted by stellar-mass binary black holes and binary neutron stars, have been detected, and many more are expected in the future as consequence of the planned upgrades in the gravitational-wave detectors. The observation of the gravitational-wave signals from these systems, and the characterization of their sources, heavily relies on the precise models for the emitted gravitational waveforms. To take full advantage of the increased detector sensitivity, it is then necessary to also improve the accuracy of the gravitational-waveform models. In this work, I present an updated version of the waveform models for spinning binary black holes within the effective-one-body formalism. This formalism is based on the notion that the solution to the relativistic two- body problem varies smoothly with the mass ratio of the binary system, from the equal-mass regime to the test-particle limit. For this reason, it provides an elegant method to combine, under a unique framework, the solution to the relativistic two-body problem in different regimes. The main two regimes that are combined under the effective-one-body formalism are the slow-motion, weak field limit (accessible through the post-Newtonian theory), and the extreme mass-ratio regime (described using the black-hole- perturbation theory). This formalism is nevertheless flexible enough to integrate information about the solution to the relativistic two-body problem obtained using other techniques, such as numerical relativity. The novelty of the waveform models presented in this work is the inclusion of beyond-quadupolar terms in the waveforms emitted by spinning binary black holes. In fact, while the time variation of the source quadupole moment is the leading contribution to the waveforms emitted by binary black holes observable by LIGO and Virgo detectors, beyond-quadupolar terms can be important for binary systems with asymmetric masses, large total mass, or observed with large inclination angle with respect to the orbital angular momentum of the binary. For this purpose, I combine the approximate analytic expressions of these beyond-quadupolar terms, with their calculations from numerical relativity, to develop an accurate waveform model including inspiral, merger and ringdown for spinning binary black holes. I first construct this model in the simplified case of black holes with spins aligned with the orbital angular momentum of the binary, then I extend it to the case of generic spin orientations. Finally, I test the accuracy of both these models against a large number of waveforms obtained from numerical relativity. The waveform models I present in this work are the state of the art for spinning binary black holes, without restrictions in the allowed values for the masses and the spins of the system. The measurement of the source properties of a binary system emitting gravitational waves requires to compute O(107 − 109) different waveforms. Since the waveform models mentioned before can require O(1 − 10)s to generate a single waveform, they can be difficult to use in data-analysis studies given the increasing number of sources observed by the LIGO and Virgo detectors. To overcome this obstacle, I use the reduced-order-modeling technique to develop a faster version of the waveform model for black holes with spins aligned to the orbital angular momentum of the binary. This version of the model is as accurate as the original and reduces the time for evaluating a waveform by two orders of magnitude. The waveform models developed in this thesis have been used by the LIGO and Virgo collaborations in the inference of the source parameters of the gravitational-wave signals detected during the second observing run (O2), and first half of the third observing run (O3a) of LIGO and Virgo detectors. Here, I present a study on the source properties of the signals GW170729 and GW190412, for which I have been directly involved in the analysis. In addition, these models have been used by the LIGO and Virgo collaborations to perform tests on General Relativity employing the gravitational-wave signals detected during O3a, and to analyze the population of the observed binary black holes.…
• Das Feld der Gravitationswellenastronomie hat sich in den letzten fünf Jahren von einem ausschließlich theoretischen Forschungsgebiet zu einer aufstrebenden experimentellen Wissenschaft entwickelt. Gravitationswellendetektoren haben bereits mehrere Signale gemessen die von binären Schwarzen Löchern und Neutronensternen im Sonnenmassenbereich entstanden sind. Viele weitere solcher Signale werden erwartet sobald die geplanten Aufrüstungen der Detektoren vollzogen wurden. Sowohl der Messung dieser Signale als auch der Charakterisierung ihrer astronomischen Quellen liegen größtenteils Modelle der erwarteten Gravitationswellenformen zugrunde. Um die steigende Sensibilität der Gravitationswellendetektoren voll ausschöpfen zu können ist es daher auch notwendig die Genauigkeit der Gravitationswellenmodelle zu steigern. In dieser Arbeit stelle ich aktualisierte Gravitationswellenmodelle für binäre Schwarze Löcher mit Spin vor die auf dem "effective-onebody" Formalismus beruhen. Dieser Formalismus basiert auf der Annahme, dass die Lösung desDas Feld der Gravitationswellenastronomie hat sich in den letzten fünf Jahren von einem ausschließlich theoretischen Forschungsgebiet zu einer aufstrebenden experimentellen Wissenschaft entwickelt. Gravitationswellendetektoren haben bereits mehrere Signale gemessen die von binären Schwarzen Löchern und Neutronensternen im Sonnenmassenbereich entstanden sind. Viele weitere solcher Signale werden erwartet sobald die geplanten Aufrüstungen der Detektoren vollzogen wurden. Sowohl der Messung dieser Signale als auch der Charakterisierung ihrer astronomischen Quellen liegen größtenteils Modelle der erwarteten Gravitationswellenformen zugrunde. Um die steigende Sensibilität der Gravitationswellendetektoren voll ausschöpfen zu können ist es daher auch notwendig die Genauigkeit der Gravitationswellenmodelle zu steigern. In dieser Arbeit stelle ich aktualisierte Gravitationswellenmodelle für binäre Schwarze Löcher mit Spin vor die auf dem "effective-onebody" Formalismus beruhen. Dieser Formalismus basiert auf der Annahme, dass die Lösung des relativistischen Zweikörperproblems glatt mit dem Massenverhältnis des Binärsystems variiert, welches sich vom Regime gleicher Massen bis zum Testteilchenlimit erstreckt. Damit stellt der Formalismus eine elegante Methode dar die Lösungen des relativistischen Zweikörperproblems in verschiedenen Regimen zu verbinden. Er findet größtenteils Anwendung um das Regime langsamer Bewegung in schwacher Gravitation (beschrieben durch postnewtonische Theorie) mit dem Regime extremer Massenverhältnisse (beschrieben durch Störungstheorie) zu verbinden. Der Formalismus ist jedoch ebenso anwendbar um Informationen zur Lösung des relativistischen Zweikörperproblems von anderen Methoden zu integrieren, wie beispielsweise Ergebnisse der Numerischen Relativität. Die Neuheiten die diese Arbeit präsentiert umfassen zuvorderst die Einbindung von multipolaren Beiträgen in den Gravitationswellenformen von binären Schwarzen Löchern mit Spin die über den quadrupolaren Beitrag hinausgehen. Während die Zeitentwicklung des Quadrupolmoments typischerweise die Wellenformen von binären Schwarzen Löchern dominiert, die von den LIGO und Virgo Detektoren gemessen werden können, werden Beiträge höherer Multipolmomente insbesondere für Binärsysteme wichtig die asymmetrischen Massen, eine hohe Gesamtmasse oder einen Beobachtungswinkel der stark von der Drehimpulsachse des Orbits abweicht aufweisen. Für diesen Anwendungsbereich kombiniere ich Näherungen der analytischen Ausdrücke dieser höheren Multipolbeiträge mit Ergebnissen aus der Numerischen Relativität um ein Gravitationswellenmodell zu entwickeln welches die Phasen der Einspiralung, der Verschmelzung und des Abklingens von binären Schwarzen Löchern mit Spin mit hoher Genauigkeit beschreibt. Zunächst konstruiere ich das Modell für den einfacheren Fall von Schwarzen Löchern, deren Spins entlang des Drehimpulses ihres Orbits orientiert sind, und verallgemeinere das Modell anschließend für beliebige Orientierungen der Spins. Abschließend teste ich die Genauigkeit dieser beider Modelle anhand einer großen Zahl von Wellenformen aus der Numerischen Relativität. Die Wellenformen, die ich in dieser Arbeit präsentiere, entsprechen dem aktuellen Forschungsstand für binäre Schwarze Löcher mit Spin und enthalten keine Beschränkungen der Massen oder Spins. Um von einem gemessenen Gravitationswellensignal auf Eigenschaften des Binärsystems, welches das Signal produziert hat, schließen zu können ist es notwendig O(107 - 109) verschiedene Wellenformen zu berechnen. Da die oben beschriebenen Modelle jedoch O(1 - 10)s benötigen können um eine einzige Wellenform zu berechnen sind sie in dieser Form für die Datenanalyse der steigenden Zahl von Signalen, die von den LIGO und Virgo Detektoren gemessen werden, nur eingeschränkt brauchbar. Um diese Hürde zu überwinden entwickele ich mithilfe der "reduced-order-modeling" Methode eine schnellere Version der Wellenformmodelle für binäre Schwarze Löcher, deren Spins entlang des Drehimpulses ihres Orbits orientiert sind. Diese Version der Modelle ist ebenso genau wie das Original, reduziert jedoch die Evaluationszeit einer Wellenform um zwei Größenordnungen. Die in dieser Arbeit entwickelten Wellenformmodelle wurden bereits von den LIGO und Virgo Kollaborationen verwendet um Gravitationswellensignale zu analysieren die während des zweiten Beobachtungslaufs (O2) und der ersten Hälfte des dritten Beobachtungslaufs (O3a) der LIGO und Virgo Detektoren gemessen wurden. Hier präsentiere ich eine Studie der Quellencharakterisierung der Signale GW170729 und GW190412, bei denen ich direkt an der Analyse beteiligt war. Die Modelle wurden außerdem bereits von den LIGO und Virgo Kollaborationen verwendet um Test der Allgemeinen Relativitätstheorie mithilfe von Gravitationswellensignalen des O3a durchzuführen, und um die Population der gemessenen binären Schwarzen Löcher.…