Gravitational-wave astronomy at the crossroads: from current to future detectors, from single events to populations

Questa tesi di dottorato esplora la fenomenologia dei sistemi binari di buchi neri, con particolare attenzione alla dinamica di spin, alle instabilità e agli studi sistematici e di popolazione applicati al catalogo di eventi rilevati da LIGO/Virgo e a segnali di onde gravitazionali simulati. Sfrutta una gamma di tecniche statistiche avanzate, tra cui l'inferenza bayesiana per la stima dei parametri e analisi gerarchiche per esperimenti di onde gravitazionali sia attuali che futuri. La prima parte di questo manoscritto esplora l'impatto di due effetti di spin sottodominanti nelle binarie di buchi neri e illustra le prospettive per la loro rilevazione nelle prossime campagne osservative. In primo luogo, indaghiamo la capacità degli interferometri attuali, come LIGO e Virgo, di rilevare l’effetto impresso da due spin che precedono su dati simulati utilizzando una nuova formulazione del parametro di precessione Xp. Mostriamo che la rilevazione di effetti a due spin è alla portata dell'attuale generazione di rivelatori di onde gravitazionali. In secondo luogo, indaghiamo il potenziale di rilevazione di un'instabilità di precessione che si verifica nelle binarie di buchi neri in configurazione "up-down", dove lo spin del buco nero primario (secondario) è allineato (anti-allineato) con il momento angolare orbitale della binaria. Le nostre simulazioni mostrano che la rilevazione di questa instabilità richiede una sensibilità del rivelatore alta (ma raggiungibile) e che queste sorgenti devono trovarsi in specifiche regioni dello spazio dei parametri in cui l'instabilità può verificarsi e diventare rilevabile. La seconda parte della tesi va oltre l'analisi di singoli eventi e si concentra sugli studi di popolazione dei buchi neri utilizzando rivelatori di terza generazione, come l'Einstein Telescope e il Cosmic Explorer. È cruciale sottolineare che questa è la prima volta che un'analisi di popolazione con rivelatori di terza generazione è stata condotta utilizzando l'approssimazione della matrice di Fisher, permettendo una previsione efficiente delle incertezze sui parametri. Questo approccio fornisce una previsione dettagliata su come i futuri rivelatori miglioreranno la nostra comprensione delle distribuzioni di massa, spin e redshift dei buchi neri, fornendo intuizioni critiche sui loro canali di formazione astrofisica.

This PhD thesis explores the phenomenology of black-hole binary systems, with a particular focus on spin dynamics, instabilities as well as waveform systematic and population studies applied to the LIGO/Virgo catalog and to simulated gravitational-wave signals. It exploits a range of advanced statistical techniques, including Bayesian inference for parameter estimation and hierarchical analyses for both current and future gravitational-wave experiments. The first part of this manuscript explores the impact of two subdominant spin effects in black-hole binaries and illustrates the prospects for their detection in upcoming observing runs. First, we investigate the ability of current interferometers, such as LIGO and Virgo, to detect the signature imprinted by two precessing spins on simulated data using a new formulation of the precession spin parameter Xp. We show that the detection of two-spin effects is within reach of the current generation of gravitational-wave detectors. Second, we investigate the potential to detect a precessional instability that occurs in the so-called ``up-down" black-hole binaries, where the primary (secondary) BH spin is aligned (anti-aligned) with the orbital angular momentum of the binary. Our simulations show that detecting this instability requires a high (but achievable) detector sensitivity, and that these sources must reside in specific regions of the parameter space where the instability can occur and become detectable. The second part of the thesis moves beyond single-event analysis and focuses on population studies of merging black holes using third-generation detectors, such as the Einstein Telescope and Cosmic Explorer. Crucially, this is the first time that a population analysis with third-generation detectors has been conducted using the Fisher matrix approximation and allows for efficient forecasting of parameter uncertainties. This approach provides detailed prediction of how future detectors will improve our understanding of the mass, spin, and redshift distributions of black holes, providing critical insights into their astrophysical formation channels.