Fundamental physics with supermassive black holes binaries from the detection of gravitational waves with LISA
Physique fondamentale avec des binaires de trous noirs supermassifs à partir de la détection d'ondes gravitationnelles avec LISA
Résumé
Following the publication of Einstein's General Relativity (GR) in 1915, scientists began exploring its boundaries. The discovery of black holes (BHs) as solutions to Einstein's equations highlighted potential breakdowns of GR, indicating a need for a broader framework. Physical singularities, like those at BH centers with infinite mass and energy density, disrupt spacetime, while astrophysical BHs have finite mass and energy. Singularities suggest GR needs improvement or replacement by a more fundamental theory, possibly a quantum theory of gravity. However, any attempt to couple GR with quantum field theory reveals deviations. This manuscript quantifies Laser Interferometer Space Antenna (LISA) sensitivity to observe deviations from GR in the strong field regime via the no-hair theorem, which states any astrophysical BH, believed to be a Kerr BH, is characterized solely by its mass and spin. After two BHs collide, the remnant BH settles through gravitational wave radiation in a phase called ringdown, during which the gravitational waveform decomposes into damping waves characterized by quasi-normal modes (QNMs). Given the BH's mass and spin, one can compute all possible QNMs. Conversely, knowing a BH's QNMs allows determination of its intrinsic parameters. Within GR, the mass and spin derived from each QNM should be consistent.In some alternative theories, this consistency does not hold. The relationship between mass and spin deviations from GR for different QNMs is unique to the considered alternative theory, often requiring additional parameters. BH spectra have been computed for static or slowly rotating BHs in some alternative theories using perturbation theory. However, beyond-relativity numerical waveforms are lacking due to complex dynamics. Assessing deviations from GR is best done using a model-agnostic approach, assuming GR while allowing small deviations. This study adopts this approach, permitting fractional deviations from GR in QNMs.Firstly, I study the interplay of higher harmonics in the inspiral-merger-ringdown description as observed by the detector. The mass of the sources shifts the gravitational wave emission frequency range. Since LISA's response and sensitivity vary with frequency, the relative weight of higher harmonics for different sources is affected by the mass. 'Light' sources around 10⁵M⊙ fall at LISA's high-frequency sensitivity edge, preventing observation of the ringdown phase. Conversely, 'heavy' sources around 10⁸M⊙ fall in LISA's low-frequency band, meaning the inspiral phase is barely observed, with the merger and ringdown phases primarily contributing to detectability. This effect, along with LISA's frequency-dependent response, may make higher modes like (3,3) or (4,4) predominant in the signal-to-noise ratio over the dominant harmonic (2,2). Including higher harmonics and features like eccentricity or precession is necessary to accurately estimate source parameters for GR tests.Understanding LISA's response to different source parameters, combined with theoretical knowledge of BH perturbation, provides a foundation for developing GR tests in the ringdown phase. I developed a code, Lisaring, integrating these concepts and including LISA's response to various ringdown descriptions. Bayesian framework time domain data analysis tools are also included. After verifying its functionality, I assessed LISA's sensitivity to detect deviations from GR in a source's ringdown phase. Considering different hypotheses on the prior parameters knowledge can significantly impact results. Under specific assumptions, the precision in estimating QNMs, and thus possible fractional deviations, can be computed for different sources. Specifically, for a given set of extrinsic parameters, LISA could probe GR to an uncertainty of 5×10⁻³% in the (3, 3, 0) mode, achieving the objective of quantifying LISA's sensitivity to GR deviations.
Suite à la publication sur la relativité générale (RG) par Einstein en 1915, la communauté scientifique a exploré ses limites. La découverte des trous noirs (TN) comme solutions aux équations d'Einstein a révelé des potentiels échecs de la RG, indiquant la nécessité d'un cadre plus large. En particulier, les singularités au centre des TN, avec masse et densité d'énergie infinies, perturbent l'espace-temps, tandis que les TN astrophysiques ont masse et énergie finies. Les singularités suggèrent que la RG doit être améliorée ou remplacée par une théorie plus fondamentale, possiblement quantique. Coupler la RG à la théorie quantique des champs montrent des déviations, et l'évaporation des TN par radiation de Hawking introduit le paradoxe de la perte d'information, soulignant le besoin d'une théorie alternative.Ce manuscrit quantifie la sensibilité de l'antenne spatiale interféromètre laser (LISA) à observer des déviations de la RG via le théorème du no-hair, stipulant qu'un TN astrophysique, principalement un TN de Kerr, est caractérisé par sa masse et son spin. Après la collision de deux TN, le TN résiduel se stabilise par radiation d'ondes gravitationnelles dans une phase appelée ringdown, où la forme d'onde est décomposée en ondes amorties caractérisées par des modes quasi-normaux (QNM). En connaissant les QNM d'un TN, on peut déterminer ses paramètres intrinsèques. Dans la RG, la masse et le spin dérivés de chaque QNM doivent être cohérents.Dans certaines théories alternatives, cette cohérence n'est plus valide. La relation entre masse et spin dans les déviations de la RG pour différents QNM est unique à la théorie alternative, souvent nécessitant des paramètres supplémentaires. Évaluer les déviations de la RG est mieux fait en adoptant une approche agnostique au modèle, supposant la RG avec petites déviations. Cette étude suit cette approche en permettant des déviations fractionnelles dans les QNM décrivant le ringdown.J'étudie l'interaction des harmoniques supérieures dans la description complète de l'inspiral-fusion-ringdown observée par le détecteur. La gamme de fréquences des ondes gravitationnelles dépend de la masse des sources. La réponse et la sensibilité de LISA variant avec la fréquence, en conséquence le poids relatif des harmoniques supérieures varie selon les sources. Les sources "légères", autour de 10⁵M⊙, se trouvent à la limite de la sensibilité haute fréquence de LISA, empêchant l'observation du ringdown. Les sources "lourdes", autour de 10⁸M⊙, se trouvent dans la bande de basses fréquences, adoucir l'inspiral avec les phases de fusion et ringdown contribuant principalement à la détectabilité. D'ailleurs, la réponse de LISA dépendante de la fréquence, peut rendre les modes supérieurs (3,3) ou (4,4) plus dominant dans le rapport signal/bruit que l'harmonique principal (2,2). Inclure les harmoniques supérieures et des caractéristiques comme l'excentricité ou la précession est nécessaire pour estimer avec précision les paramètres de la source, essentiels pour les tests de la RG.Comprendre la réponse de LISA selon différents paramètres de la source, combiné à la connaissance des perturbations des TN, fournit une base pour développer des tests de la RG dans la phase de ringdown. J'ai développé un code, Lisaring, intégrant ces concepts et incluant la réponse de LISA pour diverses descriptions de ringdown. Des outils d'analyse des données temporelles dans un cadre bayésien sont également inclus. J'ai évalué la sensibilité de LISA à détecter des déviations de la RG dans la phase de ringdown d'une source. Différentes hypothèses sur le prior de paramètres peut impacter les résultats finaux. Dans des conditions spécifiques, la précision d'estimation des QNM et des déviations fractionnelles peut être calculée pour différentes sources.Notamment, LISA pourrait tester la RG avec une incertitude de 5 x 10⁻³ % dans le mode (3,3,0), quantifiant ainsi la sensibilité de LISA aux déviations de la RG.
Origine | Version validée par le jury (STAR) |
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