ETD

• Black holes
• Dark matter
• General Relativity
• Gravitational Waves

Since the first gravitational-wave detection (GW150914) by LIGO in 2015, significant developments have been made in gravitational wave experimental science.
In this decade, not only have Virgo and KAGRA joined LIGO to form an interferometer network, but the sensitivity of each detector has been increased, making gravitational-wave physics increasingly a precision science. As a result of these improvements, LIGO-Virgo-KAGRA network has recently detected GW250114, the binary black hole coalescence with the highest signal-to-noise ratio to date.
The planned upgrades for forthcoming O5 observing run, and next-generation observatories, such as the Einstein Telescope, Cosmic Explorer, and the space-based Laser Interferometer Space Antenna (LISA) mission, will usher in the era of precision gravity. Gravitational waves will increasingly be used to address open problems in fundamental physics, such as testing General Relativity, probing the nature of dark matter and the behaviour of matter at supranuclear densities, and studying the astrophysical environments in which black holes reside. Both the ringdown, the last part of the waveform from any binary coalescence, and extreme mass ratio inspirals, among the target sources of LISA, are particularly sensitive to beyond-vacuum General Relativity effects, and can both be accurately described by black hole perturbation theory.
A consistent fully-relativistic investigation of the impact of beyond-General Relativity and environmental effects has been started recently and several questions remained unanswered.
In this context, scalar fields are particularly interesting because they can play a dual role: they can act both as dark-matter candidates and as extra gravitational degrees of freedom.
A first investigation proved that scalar fields may leave detectable imprints in both ringdown and extreme mass-ratio inspiral waveforms.
Encouraged by these results, we describe the theoretical framework to numerically evolve extreme mass ratio inspiral in a large class of beyond-General Relativity theories, all featuring an extra scalar degree of freedom coupled to the metric in the gravitational sector. After building up a consistent framework to compute scalar fluxes emitted by generic extreme-mass ratio inspirals, we focus on the case of inclined configurations. We show that the orbital inclination can help to detect the imprint of an extra degree of freedom.
We also explore the detectability of gravitational atoms via extreme mass-ratio inspirals and ringdown. Gravitational atoms are compact objects composed of a metastable scalar cloud bound to a black hole. They are well-suited to describe dark-matter halos around black holes. Complementary to previous studies, which showed that LISA may distinguish gravitational atoms from supermassive black holes as primary components of extreme mass-ratio inspirals, we investigate the opposite configuration in which a stellar-mass gravitational atom orbits around a supermassive black hole. We show that, when the secondary is a black hole, detected waveforms are unchanged with respect to the vacuum case, rendering this channel unpromising for detection. The observability of gravitational atoms via the ringdown is, instead, promising: an inspection of gravitational atom spectroscopy reveals that they may be detectable even with current interferometers if the scalar cloud is compact enough.
Finally, we discuss the excitation of quasi-normal modes in pure vacuum General Relativity. Quasi-normal modes are a central feature in ringdown modelling.
They characterize the frequency-domain spectrum of the gravitational wave signal emitted by the oscillating post-merger remnant. Exploiting the point-particle approximation, we model the astrophysical excitation of quasi-normal modes by a plunging particle from the innermost circular orbit. Extending previous results towards a deeper understanding of the ringdown, we pave the way for further investigation of not-yet clear aspects of the ringdown.

Dalla prima rivelazione di onde gravitazionali (\emph{GW150914}) da parte di LIGO nel 2015, si sono registrati sviluppi significativi nella scienza sperimentale delle onde gravitazionali. In questo decennio, non solo Virgo e KAGRA si sono uniti a LIGO formando una rete di interferometri, ma la sensibilità di ciascun rivelatore è stata aumentata, rendendo la fisica delle onde gravitazionali sempre più una scienza di precisione. Grazie a questi miglioramenti, la rete LIGO–Virgo–KAGRA ha recentemente rilevato GW250114, la coalescenza di buchi neri binari con il più alto rapporto segnale-rumore mai osservato.
Gli aggiornamenti previsti per il prossimo run osservativo O5 e gli osservatori di nuova generazione, come Einstein Telescope, Cosmic Explorer e la missione spaziale Laser Interferometer Space Antenna (LISA), inaugureranno l’era della gravità di precisione. Le onde gravitazionali saranno sempre più utilizzate per affrontare problemi aperti della fisica fondamentale, come testare la Relatività Generale, sondare la natura della materia oscura e il comportamento della materia a densità supranucleari, nonché studiare gli ambienti astrofisici in cui risiedono i buchi neri. Sia il ringdown, ovvero la parte finale della forma d’onda di qualsiasi coalescenza binaria, sia gli extreme mass ratio inspirals, tra le principali sorgenti di LISA, sono particolarmente sensibili a effetti oltre la Relatività Generale nel vuoto e possono essere descritti con grande accuratezza tramite la teoria delle perturbazioni dei buchi neri.
Un’analisi completamente relativistica e coerente degli effetti oltre la Relatività Generale e degli effetti ambientali è stata avviata solo recentemente, e diverse questioni rimangono ancora aperte. In questo contesto, i campi scalari sono particolarmente interessanti perché possono svolgere un duplice ruolo: come candidati per la materia oscura e come gradi di libertà aggiuntivi della gravità.
Una prima analisi ha dimostrato che i campi scalari possono lasciare impronte osservabili sia nel ringdown sia nelle forme d’onda degli extreme mass-ratio inspirals. Sulla base di questi risultati, descriviamo il framework teorico per evolvere numericamente gli extreme mass ratio inspirals in un’ampia classe di teorie oltre la Relatività Generale, tutte caratterizzate da un grado di libertà scalare aggiuntivo accoppiato alla metrica nel settore gravitazionale. Dopo aver costruito un quadro coerente per calcolare i flussi scalari emessi da inspirali a rapporto di massa estremo generici, ci concentriamo sul caso di configurazioni inclinate, mostrando che l’inclinazione orbitale può facilitare la rilevazione dell’impronta di un grado di libertà aggiuntivo.

Esploriamo inoltre la rilevabilità dei cosiddetti “gravitational atoms” tramite extreme mass-ratio inspirals e ringdown. I gravitational atoms sono oggetti compatti costituiti da una nube scalare metastabile legata a un buco nero, e rappresentano un modello efficace per descrivere aloni di materia oscura attorno ai buchi neri. In modo complementare a studi precedenti, che hanno mostrato come LISA possa distinguere i gravitational atoms dai buchi neri supermassicci come componenti primarie degli inspirali, analizziamo la configurazione opposta in cui un gravitational atom di massa stellare orbita attorno a un buco nero supermassiccio. Mostriamo che, quando il secondario è un buco nero, le forme d’onda rilevate non differiscono dal caso di vuoto, rendendo questo canale poco promettente per la rivelazione. Al contrario, l’osservabilità tramite il ringdown appare promettente: un’analisi della spettroscopia dei gravitational atoms indica che essi potrebbero essere rilevabili anche con gli interferometri attuali, purché la nube scalare sia sufficientemente compatta.
Infine, discutiamo l’eccitazione dei modi quasi-normali nella Relatività Generale nel vuoto. I modi quasi-normali rappresentano una caratteristica fondamentale nella modellizzazione del ringdown, in quanto descrivono lo spettro in frequenza del segnale di onde gravitazionali emesso dal residuo oscillante post-merger. Utilizzando l’approssimazione di particella puntiforme, modelliamo l’eccitazione astrofisica dei modi quasi-normali da parte di una particella in caduta a partire dall’orbita circolare più interna. Estendendo risultati precedenti verso una comprensione più profonda del ringdown, apriamo la strada a ulteriori studi su aspetti ancora non completamente chiariti di questa fase.