Coalescence of Exotic Compact Objects in the new era of gravitational wave astronomy

Abstract

[eng] The direct detection of gravitational waves by LIGO and Virgo interferometric observatories has opened a new multi-messenger era to study some of the most energetic phenomena occurring in the Universe. Although the detections are so far consistent with the coalescence of binary black holes and the inspiral of binary neutron stars systems, in the future we could detect gravitational waves from new binary systems composed of different compact objects. These putative Exotic Compact Objects (ECOs) could exist in theory but have not yet been found in Nature, since they are supposed to be too dim to be detected by current electromagnetic telescopes. In this Thesis we study, through full three dimensional numerical relativity simulations, the dynamics of these ECOs and the gravitational radiation emitted during their coalescence, focusing in binaries formed by boson stars (i.e., self-gravitating objects modeled with a complex scalar field), dark matter stars (i.e., astrophysical compact objects that only interact with other stars through gravity) and neutron stars with a small fraction of dark matter on their interiors (i.e., modeled by mixed fermion-boson stars). Gravitational waves from the coalescence of compact objects play an important role probing gravity in the strong-field regime. Hence, our studies are crucial to discriminate whether future non-standard gravitational wave detections come from unknown sources such as ECOs. Consequently, exploring the signature of these gravitational waves could reveal their existence.

[cat] La detecci´o directa d’ones gravitacionals a trav´es dels observatoris interferom`etrics LIGO i Virgo obre una nova era de multimissatgers per estudiar alguns dels fen`omens m´es energ`etics que ocorren en l’univers. Tot i que, fins ara, les deteccions s´on coherents amb la fusi´o de sistemes binaris de forats negres i amb la col·lisi´o entre dues estrelles de neutrons, en el futur es podran detectar ones gravitacionals provinents de nous sistemes binaris composts de diferents objectes compactes. Aquests aparents objetes compactes ex`otics (ECOs) podrien existir en teoria, per`o encara no han estat trobats en la natura, ja que se suposa que s´on massa t`enues com per poder ser detectats pels telescopis electromagn`etics actuals.. En aqueta tesi estudiam, a trav´es de simulacions num`eriques tridimensionals de relativitat, la din`amica d’aquests ECOs i la radiaci´o gravitacional emesa durant la seva coalesc`encia, enfocant-nos en sistemes binaris formats per estrelles de bosons (´es a dir, objectes auto-gravitants modelats amb un camp escalar complexe), estrelles de mat`eria obscura (´es a dir, objectes compactes astrof´ısics que nom´es interactuen amb d’altres estrelles a trav´es de la gravetat) i estrelles de neutrons amb una petita fracci´o de mat`eria obscura en el seu interior (´es a dur, modelades per estrelles mixtes de fermi´o-bos´o). Les ones gravitacionals de coalesc`encia d’objectes compactes juguen un important rol en l’estudi de la gravetat forta. Es per aix`o que el nostre estudi ´es crucial per dis- ´ criminar si futures deteccions d’ones gravitacionals at´ıpiques serien provinents de fonts desconegudes, tals com els ECOs. Per conseg¨uent, explorar la impromta d’aquestes ones gravitacionals podria revelar la seva exist`encia.

[spa] La detecci´on directa de ondas gravitacionales a trav´es de los observatorios interferom´etricos LIGO y Virgo abre una nueva era de multimensajeros para estudiar algunos de los fen´omenos m´as energ´eticos que ocurren en el Universo. Aunque hasta ahora las detecciones son coherentes con la fusi´on de sistemas binarios de agujeros negros y con la colisi´on entre dos estrellas de neutrones, en el futuro podremos llegar a detectar ondas gravitacionales provenientes de nuevos sistemas binarios compuestos de objetos compactos diferentes. Estos aparentes objetos compactos ex´oticos (ECOs) podr´ıan existir en teor´ıa, pero a´un no se han encontrado en la naturaleza, ya que se supone son demasiado tenues para ser detectados por los telescopios electromagn´eticos actuales. En esta tesis estudiamos, a trav´es de simulaciones num´ericas tridimensionales de relatividad, la din´amica de estos ECOs y la radiaci´on gravitacional emitida durante su coalescencia, enfoc´andonos en sistemas binarios formados por estrellas de bosones (es decir, objetos auto-gravitantes modelados con un campo escalar complejo), estrellas de materia oscura (es decir, objetos compactos astrof´ısicos que solo interact´uan con otras estrellas a trav´es de la gravedad) y estrellas de neutrones con una peque˜na fracci´on de materia oscura en su interior (es decir, modeladas por estrellas mixtas de fermi´on-bos´on). Las ondas gravitacionales de la coalescencia de objetos compactos juegan un importante rol en el estudio de la gravedad fuerte. Es por ello que nuestro estudio es crucial para discriminar si futuras detecciones de ondas gravitacionales at´ıpicas ser´ıan provenientes de fuentes desconocidas, tales como los ECOs. Por consiguiente, explorar la huella de estas ondas gravitacionales podr´ıa revelar su existencia.