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Sujets de thèse
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DRF : Sujet de thèse SL-DRF-19-0358

DOMAINE DE RECHERCHE
Astrophysique / Physique corpusculaire et cosmos
INTITULÉ DU SUJET Français English

Caractérisation de systèmes binaires galactiques par ondes gravitationnelles

RÉSUMÉ DU SUJET

En 2016, l’annonce de la première détection directe d’ondes gravitationnelles a ouvert une ère durant laquelle l’univers sera sondé d’une manière inédite. Simultanément, le succès complet de la mission LISA Pathfinder a validé certaines technologies retenues pour le projet LISA (Laser Interferometer Space Antenna). Cet observatoire spatial serait constitué de trois satellites éloignés de 2.5 millions de kilomètres et permettrait la détection directe d’ondes gravitationnelles indétectables par les interféromètres terrestres. Son lancement est prévu par l’ESA pour 2034.

A la différence des observatoires au sol, sensibles à de rares signaux d’ondes gravitationnelles et soumis à un bruit de mesure dominant, un interféromètre spatial sera en permanence alimenté par un grand nombre de signaux distincts et caractérisés théoriquement à divers degrés de précision. Les estimations actuelles des quantités et types de source envisagent entre autres 60 millions de systèmes binaires galactiques émettant de manière continue, 10 à 100 signaux annuels provenant de trous noirs supermassifs, et de 10 à 1000 signaux annuels issus de systèmes binaires avec des rapports de masses très élevés.

Un des objectifs scientifiques de LISA est l’étude de la formation et de l’évolution des systèmes binaires galactiques : des naines blanches, mais aussi des étoiles à neutrons ou des trous noirs d’origine stellaires. Plusieurs systèmes binaires dits « de vérification » sont déjà identifiés comme sources d’ondes gravitationnelles détectables par LISA, et ce nombre devrait augmenter de manière significative grâce aux mesures collectées par le satellite Gaia et le télescope LSST.

LISA devrait permettre la caractérisation d’environ 25000 systèmes binaires galactiques. Les nombreux autres systèmes échappant à une détection individuelle formeront un fond stochastique, ou bruit de confusion. De plus, comme dans toute expérience, les données réelles seront soumises à un certain nombre de bruits et d’artefacts à prendre en compte pour optimiser le potentiel scientifique de la mission.

Le fil conducteur du travail proposé est une démonstration de la capacité scientifique et technique à traiter des données réelles de manière fiable et robuste. Les systèmes binaires galactiques constituent un excellent terrain d’essai. Ce type de signal est mesurable sur LISA, et sa forme pour un système individuel est bien connue d’un point de vue théorique. Néanmoins, extraire l’information d’intérêt astrophysique de ces signaux requiert de résoudre différents problèmes de traitement du signal tels que :

1. La séparation de plusieurs sources individuelles, apparaissant comme un spectre de raies, d’un fond stochastique.

1. La prise en compte de déviations inattendues (glitches) dans l’analyse de données à partir du retour d’expérience de LISA Pathfinder.

2. L’analyse à partir de données incomplètes, dues aux périodes d’interruption dans l’acquisition des données (maintenance, instabilités de sous-systèmes, etc.).

3. Le développement de méthodes d’analyse robustes vis-à-vis de bruits non gaussiens, ou non stationnaires, ou corrélés.

Il est attendu que ces différents éléments auront un impact important sur l’estimation des signaux d’ondes gravitationnelles. Dans ce cadre, ce travail de thèse consistera tout d’abord en l’étude de leur impact sur l’analyse, puis au développement de nouvelles méthodes inspirées de problèmes analogues en traitement d’image appliqué à l’astrophysique. Ces méthodes reposent sur la modélisation parcimonieuse des signaux. Celle-ci permet d’exploiter les différences de formes ou de morphologie entre ces signaux et le bruit pour la résolution de problèmes inverses. Le candidat adaptera les algorithmes tirant parti de cette diversité morphologique, les implémentera et analysera leur apport sur des données simulées réalistes associées à LISA, et si possible sur des données réelles d’interféromètres au sol.

Cet ensemble d’activités peut toutefois être amené à évoluer en fonction des avancées théoriques d’une part, et de la publication de nouvelles mesures d’autre part. Toutes ces activités peuvent conduire à des contraintes de dimensionnement de la mission, des outils ou méthodes de traitement des données. Ce sujet comporte une dominante de traitement du signal et de programmation soignée, mais son aspect pluridisciplinaire rend possible l’exploration de nombreux champs en fonction des opportunités scientifiques et de la durée impartie d’une thèse.

FORMATION NIVEAU MASTER RECOMMANDÉ

Etudiants de niveau M2 ou grande école

INFORMATIONS PRATIQUES
Institut de recherche sur les lois fondamentales de l'univers
Service de Physique Nucléaire
Groupe Théorie Hadronique
Centre : Saclay
Date souhaitée pour le début de la thèse : 01/10/2019
PERSONNE À CONTACTER PAR LE CANDIDAT

Hervé Moutarde  

CEA
DRF/IRFU/SPhN/Théorie Hadronique
IRFU, CEA, Université Paris-Saclay, F-91191 Gif-sur-Yvette, France

Téléphone : 33169087388

UNIVERSITÉ / ÉCOLE DOCTORALE
Paris-Saclay
PHENIICS
DIRECTEUR DE THÈSE

Hervé Moutarde

CEA
DRF/IRFU/SPhN/Théorie Hadronique
IRFU, CEA, Université Paris-Saclay, F-91191 Gif-sur-Yvette, France