Searching for long-duration transient gravitational waves from spinning neutron stars

Resum

Mentre les deteccions d'ones gravitacionals (OGs) de coalescències binàries compactes estan convertint-se en rutina, amb 90 esdeveniments detectats per les col·laboracions LIGO—Virgo—KAGRA durant els tres primers períodes d'observació, els senyals d'OG d'estels de neutrons individuals encara no s'han descobert. Els púlsars, estels de neutrons que giren i emeten raigs d'ones electromagnètiques, són objectes astronòmics increïblement densos que també podrien emetre OGs contínues (CW) gairebé monocromàtiques de llarga durada. La majoria dels púlsars observats són rellotges molt estables, però alguns presenten anomalies en la seva evolució anomenats glitches: augments sobtats de la freqüència de rotació seguits d'una fase de relaxació que pot durar de dies a mesos. Els glitches són un dels pocs casos en què podem examinar indirectament l'interior d'un púlsar. Aquests fenòmens podrien desencadenar emissió d'OGs, semblant a una CW però limitada en el temps: una ona contínua transitòria (tCW). El tema principal d'aquesta tesi és l'estudi i el desenvolupament de mètodes per cercar tCWs de glitches de púlsars. La primera part comprèn tres capítols introductoris sobre la fenomenologia física i els mitjans metodològics per entendre aquest tipus de cerques: generació d'OGs i la seva propagació, descripció de púlsars i caracterització de glitches, i finalment l'exposició dels diferents mètodes utilitzats en aquesta tesi per buscar tCWs. A la segona part presento resultats científics originals separats en tres capítols. El primer és l'estudi de les perspectives futures per detectar aquest tipus de senyals després d'un glitch, durant les properes campanyes de observació de LIGO—Virgo—KAGRA i també amb detectors de tercera generació: Einstein Telescope i Cosmic Explorer. L'anàlisi va consistir en recollir dades de catàlegs de glitches de púlsars, calcular el límit superior d'energia indirecta per a cada glitch i comparar aquests valors amb les sensibilitats dels diferents detectors. Els resultats són prometedors, especialment per a detectors de tercera generació que haguessin estat capaços de detectar el 35—40% dels glitches passats gràcies a la seva major sensitivitat esperada. El segon capítol cobreix els resultats d'una cerca de tCWs usant el mètode ja existent de F-statistic de matched filtering, i dades de LIGO—Virgo durant la tercera campanya de observació. Es van trobar dues possibles deteccions provinents del púlsar J0537—6910, però després d'una minuciosa inspecció, no es va poder asegurar una detecció fiable. Per a cada glitch, es van establir límits superiors a la amplitud d'OG en funció de la durada, i cap no supera el límit superior indirecte físic de la glitch corresponent. Al darrer capítol presento els resultats d'una cerca tCW basada parcialment en l'aprenentatge automàtic. Per a aquesta cerca vaig implementar xarxes neuronals convolucionals que usen quantitats intermèdies de matched filtering, anomenades “F-statistic atoms”, i que assoleixen sensibilitats similars a les de les estadístiques de detecció estàndard a un cost computacional més baix.