| Fecha: |
2025 |
| Resumen: |
Aquesta tesi presenta un cos cohesionat de treball en la intersecció entre l'astronomia d'ones gravitatòries (OG) i la física fonamental. La detecció directa d'OG ha proporcionat un nou laboratori per provar la relativitat general (RG) en el règim de camp fort i dinàmic. La recerca aquí continguda aprofita el catàleg creixent d'esdeveniments d'OG per realitzar tres proves diferents però complementàries: s'investiguen els entorns astrofísics dels binaris compactes, es realitza espectroscòpia de forats negres mitjançant els senyals de ringdown, i es constrenyen les modificacions cosmològiques a la gravetat. L'estructura d'aquesta tesi reflecteix aquesta progressió, des de la validació d'hipòtesis fonamentals fins a l'exploració de les fronteres de la nostra comprensió teòrica. El Capítol 1 estableix els fonaments teòrics, revisant la predicció de les OG i els forats negres en RG, la dinàmica de les coalescències de binaris compactes i l'univers en expansió, que constitueixen la base sobre la qual es recolza tota l'anàlisi de dades posterior. El Capítol 2 i el Capítol 3 estableixen les bases experimentals i metodològiques essencials, detallant els principis de la detecció interferomètrica d'OG i els sofisticats mètodes estadístics, com el filtrat adaptat i la inferència bayesiana, utilitzats per extreure senyals febles de dades sorolloses i inferir les propietats de la font. La recerca original comença en el Capítol 4, que aborda un supòsit clau en la modelització d'OG: que els binaris evolucionen en aïllament. Aquest capítol presenta una cerca bayesiana, agnòstica respecte al model, d'efectes ambientals com la fricció dinàmica i l'acreció en les dades de LIGO-Virgo. El resultat nul va donar lloc a les primeres fites superiors sobre la densitat ambient en un estudi de catàleg d'esdeveniments, i aquest treball ha estat publicat. El Capítol 5 se centra en l'estat final de les fusions de forats negres binaris, utilitzant la fase de ringdown per dur a terme espectroscòpia de forats negres. L'anàlisi segueix el marc de treball per a senyals de ringdown, tal com s'ha revisat exhaustivament en la literatura. L'anàlisi sistemàtica del conjunt de dades O4a, que forma la base del catàleg d'esdeveniments per a les proves d'aquest capítol, va formar part d'un esforç col·laboratiu més ampli. La meva aplicació d'aquest marc va conduir a la primera detecció confident de múltiples modes en GW250114 i a proves de precisió de la mètrica de Kerr i la llei de l'àrea de Hawking, resultant en múltiples publicacions. Les investigacions dels esdeveniments especials GW230814 i GW231123 presentades aquí també van contribuir a altres estudis col·laboratius. Finalment, el Capítol 6 estén les proves de RG a escales cosmològiques. Utilitzant un marc bayesià jeràrquic implementat en el paquet icarogw, aquest capítol restringeix teories de gravetat modificada comparant la distància de lluminositat inferida per les OG amb la distància electromagnètica dels catàlegs de galàxies, establint límits en paràmetres que descriuen una massa de Planck variable i escenaris amb dimensions extra. Aquest treball també ha estat publicat. El capítol de conclusions, Capítol 7, sintetitza aquests troballes, destacant l'acord consistent amb la RG en totes les proves i descrivint el futur prometedor de la física fonamental amb els observatoris d'OG de propera generació. Les metodologies desenvolupades i aplicades al llarg d'aquesta tesi, des de les cerques d'efectes ambientals fins a l'anàlisi del ringdown i la inferència cosmològica, proporcionen un conjunt d'eines robust per al futur, on les observacions cada vegada més sensibles continuaran posant a prova la nostra comprensió de la gravetat. |
| Resumen: |
Esta tesis presenta un cuerpo cohesionado de trabajo en la intersección entre la astronomía de ondas gravitacionales (OG) y la física fundamental. La detección directa de OG ha proporcionado un nuevo laboratorio para probar la relatividad general (RG) en el régimen de campo fuerte y dinámico. La investigación aquí contenida aprovecha el catálogo creciente de eventos de OG para realizar tres pruebas distintas pero complementarias: se investigan los medios astrofísicos de los binarios compactos, se realiza espectroscopía de agujeros negros mediante las señales de ringdown, y se constriñen las modificaciones cosmológicas a la gravedad. La estructura de esta tesis refleja esta progresión, desde la validación de supuestos fundamentales hasta la exploración de las fronteras de nuestra comprensión teórica. El Capítulo 1 establece los fundamentos teóricos, revisando la predicción de las OG y los agujeros negros en RG, la dinámica de las coalescencias de binarios compactos y el universo en expansión, que constituyen la base sobre la que descansa todo el análisis de datos posterior. El Capítulo 2 y el Capítulo 3 establecen las bases experimentales y metodológicas esenciales, detallando los principios de la detección interferométrica de OG y los sofisticados métodos estadísticos, como el filtrado adaptado (matched filtering) y la inferencia bayesiana, utilizados para extraer señales débiles de datos ruidosos e inferir las propiedades de la fuente. La investigación original comienza en el Capítulo 4, que aborda un supuesto clave en el modelado de OG: que los binarios evolucionan en aislamiento. Este capítulo presenta una búsqueda bayesiana, independiente del modelo, de efectos ambientales como la fricción dinámica y la acreción en los datos de LIGO-Virgo. El resultado nulo dio lugar a los primeros límites superiores sobre la densidad ambiental en un estudio de catálogo de eventos, y este trabajo ha sido publicado. El Capítulo 5 se centra en el estado final de las fusiones de agujeros negros binarios, utilizando la fase de ringdown para llevar a cabo espectroscopía de agujeros negros. El análisis sigue el marco de trabajo para señales de ringdown, tal como se ha revisado exhaustivamente en la literatura. El análisis sistemático del conjunto de datos O4a, que forma la base del catálogo de eventos para las pruebas de este capítulo, formó parte de un esfuerzo colaborativo más amplio. Mi aplicación de este marco condujo a la primera detección confiable de múltiples modos en GW250114 y a pruebas de precisión de la métrica de Kerr y la ley del área de Hawking, resultando en múltiples publicaciones. Las investigaciones de los eventos especiales GW230814 y GW231123 presentadas aquí también contribuyeron a otros estudios colaborativos. Finalmente, el Capítulo 6 extiende las pruebas de RG a escalas cosmológicas. Utilizando un marco bayesiano jerárquico implementado en el paquete icarogw, este capítulo restringe teorías de gravedad modificada comparando la distancia de luminosidad inferida por las OG con la distancia electromagnética de los catálogos de galaxias, estableciendo límites en parámetros que describen una masa de Planck variable (running) y escenarios con dimensiones extra. Este trabajo también ha sido publicado. El capítulo de conclusiones, Capítulo 7, sintetiza estos hallazgos, destacando el acuerdo consistente con la RG en todas las pruebas y esbozando el futuro prometedor de la física fundamental con los observatorios de OG de próxima generación. Las metodologías desarrolladas y aplicadas a lo largo de esta tesis, desde las búsquedas de efectos ambientales hasta el análisis del ringdown y la inferencia cosmológica, proporcionan un conjunto de herramientas robusto para el futuro, donde las observaciones cada vez más sensibles continuarán poniendo a prueba nuestra comprensión de la gravedad. |
| Resumen: |
This thesis presents a cohesive body of work at the intersection of gravitational-wave (GW) astronomy and fundamental physics. The direct detection of GWs has provided a new laboratory for testing general relativity (GR) in the strong-field, dynamical regime. The research contained herein leverages the growing catalog of GW events to perform three distinct but complementary tests: probing the astrophysical environments of compact binaries, performing black hole spectroscopy via ringdown signals, and constraining cosmological modifications to gravity. The structure of this thesis reflects this progression from validating foundational assumptions to exploring the frontiers of our theoretical understanding. Chapter 1 establishes the theoretical foundation, reviewing the prediction of GWs and black holes in GR, the dynamics of compact binary coalescences, and the expanding universe, which form the bedrock upon which all subsequent data analysis rests. Chapter 2 and Chapter 3 establish the essential experimental and methodological groundwork, detailing the principles of interferometric GW detection and the sophisticated statistical methods, such as matched filtering and Bayesian inference, used to extract faint signals from noisy data and infer source properties. The original research begins in Chapter 4, which addresses a key assumption in GW modeling: that binaries evolve in isolation. This chapter presents a model-agnostic, Bayesian search for environmental effects like dynamical friction and accretion in LIGO-Virgo data. The null result yielded the first upper limits on ambient density from an event catalog study, and this work has been published. Chapter 5 focuses on the final state of binary black hole mergers, using the ringdown phase to perform black hole spectroscopy. The analysis follows the data analysis framework for ringdown signals, as comprehensively reviewed in the literature. The systematic analysis of the O4a dataset, which forms the event catalog basis for the tests in this chapter, was part of a larger collaborative effort. My application of this framework led to the first confident multi-mode detection in GW250114 and precision tests of the Kerr metric and Hawking's area law, resulting in multiple publications. Investigations of special events GW230814 and GW231123 presented here also contributed to other collaborative studies. Finally, Chapter 6 extends the tests of GR to cosmological scales. Using a hierarchical Bayesian framework implemented in the icarogw package, this chapter constrains theories of modified gravity by comparing the GW-inferred luminosity distance to the electromagnetic distance from galaxy catalogs, placing limits on parameters that describe a running Planck mass and extra-dimensional scenarios. This work has also been published. The concluding Chapter 7 synthesizes these findings, highlighting the consistent agreement with GR across all probes and outlining the promising future of fundamental physics with next-generation GW observatories. The methodologies developed and applied throughout this thesis, from environmental searches to ringdown analysis and cosmological inference, provide a robust toolkit for the future, where ever-more-sensitive observations will continue to stress-test our understanding of gravity. |
| Resumen: |
Universitat Autònoma de Barcelona. Programa de Doctorat en Física. |
| Derechos: |
Aquest document està subjecte a una llicència d'ús Creative Commons. Es permet la reproducció total o parcial, la distribució, la comunicació pública de l'obra i la creació d'obres derivades, sempre i quan aquestes es distribueixin sota la mateixa llicència que regula l'obra original i es reconegui l'autoria.  |
| Lengua: |
Anglès |
| Colección: |
Programa de Doctorat en Física |
| Documento: |
Tesi doctoral ; Text ; Versió publicada |
| Materia: |
Forats negres ;
Black hole ;
Agujeros negros ;
Ones gravitacionals ;
Gravitational waves ;
Ondas gravitacionales ;
Cosmologia ;
Cosmology ;
Cosmología ;
Ciències Experimentals |
visitante ::
identificación
dir.
