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Sujets de thèse
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DRF : Sujet de thèse SL-DRF-18-0717

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

L’Univers gravitationnel : à la recherche des progéniteurs d’ondes gravitationnelles

RÉSUMÉ DU SUJET

Contexte : La découverte, par l'observatoire LIGO-Virgo le 14 septembre 2015, d'ondes gravitationnelles (OG) issues de la fusion de deux trous noirs de masse stellaire, applaudie par l'ensemble de la communauté scientifique, fut inattendue en terme de sources astrophysiques : deux trous noirs stellaires aussi massifs (~ 30 masses solaires) n'avaient jamais été vus auparavant, bien qu'ils constituent probablement le sommet de l'iceberg. A partir de cette détection, plusieurs questions se sont immédiatement posées : comment de tels trous noirs peuvent-ils se former, et combien y en a-t-il dans notre Univers local et au-delà ? Puis, la deuxième percée est venue avec la détection d'une kilonova associée à une fusion de deux étoiles à neutrons, le 17 août 2017. D'autres questions surgirent, telles que la nature du résultat d'une telle fusion. Plus généralement, l'une des questions les plus fondamentales, en termes d'astrophysique et de physique, concerne la nature des progéniteurs qui finiront par fusionner. Enfin, nous savons maintenant que de nombreuses fusions de ce type seront détectées par les observatoires OG actuels et futurs, mais nous ne savons pas quel sera le taux exact.

Objets d’étude : Les binaires stellaires hébergeant des objets compacts (en particulier les étoiles à neutrons et les trous noirs) constituent les meilleurs progéniteurs, évoluant jusqu'à fusionner en binaires de trous noirs, d’étoiles à neutrons ou d’étoiles à neutrons / trous noirs, et émettre des OG. L'évolution globale de ces binaires est encore sujette à de nombreuses incertitudes de certains paramètres de l’évolution des binaires, tels que : le kick reçu lors de la supernova, les effets de métallicité sur les vents stellaires, la phase d’enveloppe commune, déterminante pour la survie ou non du système binaire, le spin de chaque objet etc.

Objectifs : Pour répondre aux questions d’astrophysique et de physique fondamentale décrites ci-dessus, nous avons besoin d'un cadre commun, rassemblant la connaissance des objets astrophysiques tels que les binaires hébergeant des objets compacts, avec l'expertise scientifique et instrumentale des détecteurs d’ondes gravitationnelles. AIM et APC sont deux laboratoires idéaux pour entreprendre une telle étude à leur interface, offrant : i. une étude approfondie des binaires individuelles, une étude globale de l'ensemble des binaires, et une modélisation de l'évolution des populations binaires, afin de caractériser la nature des progéniteurs de fusion ; et ii. l'expertise des détecteurs OG, la connaissance des détections et une estimation observationnelle des taux de fusion selon la sensibilité du détecteur. Le (la) candidat(e) s’insérera dans le groupe «Rates & Populations » au sein de la collaboration Advanced LIGO – Advanced Virgo.

Description : Au cours de cette thèse, nous modéliserons l’évolution des systèmes binaires en utilisant le code MESA : (http://mesa.sourceforge.net/binary_controls_defaults.html) afin de contraindre les paramètres encore mal connus (kick, métallicité, enveloppe commune, spin, etc). Nous utiliserons les nouvelles observations de binaires d’étoiles massives et de binaires accrétantes (obtenues à l’ESO ou délivrées par le satellite Gaia), pour en déduire des informations sur le mouvement propre –relié au kick–, sur les types spectraux de chacune des étoiles, et sur le fait que les binaires survivent ou non à la phase d’enveloppe commune (les binaires accrétantes contenant une étoile compagnon de faible masse sont vues après cette phase, alors que celles contenant une étoile de grande masse sont vues avant). Nous comparerons ensuite les prédictions des modèles (MESA) aux informations données par les observations (ESO, Gaia), dans le but de contraindre les paramètres mentionnés ci-dessus. L’utilisation de ces modèles, aux paramètres contraints, permettra ensuite de faire évoluer les systèmes jusqu’à la fusion, et d’estimer plus précisément le taux de fusion d’objets compacts (binaires d’étoiles à neutron et/ou de trous noirs). La comparaison de ces taux de fusion aux courbes de sensibilité des détecteurs OG permettra finalement d’ajuster le taux de détection des futurs détecteurs.

FORMATION NIVEAU MASTER RECOMMANDÉ

Master Astrophysique et astroparticules

INFORMATIONS PRATIQUES
Institut de recherche sur les lois fondamentales de l'univers
Service d'Astrophysique
Laboratoire d'Etudes des Phénomènes Cosmiques de Haute Energie
Centre : Saclay
Date souhaitée pour le début de la thèse : 01/10/2018
PERSONNE À CONTACTER PAR LE CANDIDAT

Sylvain CHATY  

Université Paris Diderot et Institut Universitaire de France
LEPCHE/Laboratoire d'Etudes des Phénomènes Cosmiques de Haute Energie
Service d'Astrophysique

Téléphone : +33 1 57 27 53 04

UNIVERSITÉ / ÉCOLE DOCTORALE
Paris-Diderot (Paris 7)
Science de la Terre et de l'Environnement et Physique de l'Univers Paris (STEPUP)
DIRECTEUR DE THÈSE

Sylvain CHATY

Université Paris Diderot et Institut Universitaire de France
LEPCHE/Laboratoire d'Etudes des Phénomènes Cosmiques de Haute Energie
Service d'Astrophysique