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

Resumen

Mientras las detecciones de ondas gravitacionales (OGs) de coalescencias de sistemas binarios compactos están convirtiéndose en rutina, con 90 eventos detectados por las colaboraciones LIGO—Virgo—KAGRA durante los primeros tres periodos de observación, las señales de OGs de estrellas de neutrones individuales aún no se han descubierto. Los púlsares, estrellas de neutrones que giran y emiten rayos electromagnéticos, son objetos astronómicos increíblemente densos que también podrían emitir OGs continuas (CW) casi monocromáticas de larga duración. La mayoría de los púlsares observados son relojes muy estables, pero algunos presentan anomalías en su evolución denominados glitches: aumentos repentinos de la frecuencia de rotación seguidos de una fase de relajación que puede durar de días a meses. Los glitches son uno de los pocos casos en los que podemos examinar indirectamente el interior de un púlsar. Estos fenómenos podrían desencadenar emisión de OGs, similar a una CW pero limitada en el tiempo: una onda continua transitoria (tCW). El tema principal de esta tesis es el estudio y el desarrollo de métodos para buscar tCWs de glitches de púlsares. La primera parte comprende tres capítulos introductorios sobre la fenomenología física y los medios metodológicos para entender este tipo de búsquedas: generación de OGs y su propagación, descripción de púlsares y de glitches, y finalmente la delineación de los diferentes métodos utilizados en esta tesis para buscar tCWs. En la segunda parte presento resultados científicos originales separados en tres capítulos. El primero es el estudio de las perspectivas futuras para detectar tCWs después de un glitch, durante las próximas campañas de observación de LIGO—Virgo—KAGRA y también con detectores de tercera generación: Einstein Telescope y Cosmic Explorer. El análisis consistió en recojer datos de catálogos de glitches de púlsares, calcular el límite superior de energía indirecta para cada glitch y comparar estos valores con las sensibilidades de los diferentes detectores. Los resultados son prometedores, especialmente para los detectores de tercera generación que hubieran sido capaces de detectar el 35—40% de los glitches pasados gracias a su mejorada sensibilidad. El segundo capítulo cubre los resultados de una búsqueda de tCWs usando el método ya existente de F-statistic de matched filtering, y datos de LIGO—Virgo durante la tercera campaña de observación. Se encontraron dos posibles detecciones provenientes del púlsar J0537—6910, pero después de una minuciosa inspección, no se pudo asegurar una detección confiable. Para cada glitch, se establecieron límites superiores en la amplitud de OG en función de la duración, y ninguno supera el límite superior indirecto físico del glitch correspondiente. En el último capítulo presento los resultados de una búsqueda tCW basada parcialmente en el aprendizaje automático. Para esta búsqueda implementé redes neuronales convolucionales que usan cantidades intermedias de matched filtering, llamadas “F-statistic atoms”, y que alcanzan sensibilidades similares a las de las estadísticas de detección estándar a un costo computacional más bajo.