Méthode de détection de sources individuelles d'ondes gravitationnelles par chronométrie d'un réseau de pulsars : application aux données de l'EPTA

A method for searching single gravitational wave sources with a pulsar timing array

• Auteur / Autrice : Antoine Lassus
• Direction : Ismaël Cognard
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique. Sciences de l'Univers
• Date : Soutenance le 03/12/2013
• Etablissement(s) : Orléans
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Énergie, Matériaux, Sciences de la Terre et de l'Univers (Centre-Val de Loire ; 2012-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de physique et chimie de l'environnement et de l'espace (Orléans ; 2012-...) - Laboratoire de Physique et Chimie de l'Environnement et de l'Espace
• Jury : Président / Présidente : Thierry Dudok de Wit
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Ismaël Cognard, Thierry Dudok de Wit, Eric Gourgoulhon, Frédérique Marion, Marie-Christine Angonin, Eric Chassande-Mottin
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Eric Gourgoulhon, Frédérique Marion
• DOI : 10.70675/bcac92bbz63a0z4fc9zba5fz79d8d88ec292

Mots clés

Mots clés contrôlés

Ondes gravitationnelles

Pulsars

Temps -- Mesure

Statistique bayésienne

Mots clés libres

Onde gravitationnelle

Pulsar

Réseau de pulsar

Gravitational wave

Puslsar

Pulsar timing array

Résumé

L'existence des ondes gravitationnelles, fluctuations de l'espace-temps lui-même, a été prédite sans, pour l'instant, qu'une détection directe n'ait été encore possible. A l'heure actuelle, des méthodes consistant en des détecteurs interférométriques de plusieurs kilomètres de long sont à l'oeuvre pour permettre une première détection. Nous proposons, dans cette thèse, d'étudier une autre méthode : la chronométrie d'un réseau de pulsars milliseconde. Elle consiste en l'observation régulière et la datation précise des impulsions radio en provenance de pulsars ultrastables. L'onde gravitationnelle produisant retards ou avances des impulsions sur Terre, nous recherchons sa présence sous forme d'un signal corrélé entre les observations faites des différents pulsars du réseau. Dans un premier temps, nous détaillons les processus d'observation et de chronométrie des pulsars, pour nous pencher sur un cas particulier avec le pulsar J1614-2230. Puis, nous présentons les ondes gravitationnelles et leurs sources ainsi que les différentes méthodes de détection. Nous décrivons tout particulièrement la méthode de chronométrie d'un réseau de pulsars appliquée à la recherche d'un signal en provenance d'un système binaire de tous noirs supermassifs. Ensuite, après avoir détaillé les outils statistiques et numériques utilisés, nous appliquons notre méthode à l'injection d'un tel signal dans les observations réelles faites dans le cadre de l'EPTA. Enfin, nous présentons les limites supérieures sur l'amplitude d'un signal en provenance d'un système binaire obtenues sur ces données sans injection grâce à notre méthode en fonction de la fréquence et de la position de la source.

The existence of gravitational waves, ripples in space-time itself, has been predicted but their detection remains elusive. Multiple techniques exist for searching for them, including ground-based kilometer long inteferometers. In this thesis, we present an alternative approach, based on the monitoring and precise timing of radio pulses from an array of millisecond pulsars. A gravitational wave will perturb the propagation of those radio pulses, causing them to reach the Earth with a certain delay. By searching for correlations in the arrival times of the pulsations from different pulsars, we can in principle infer the presence of gravitational waves from observations. We begin by giving an overview of pulsar observations and timing. We illustrate those principles with a practical example : the study of the millisecond pulsar J1614-2230. In the second part we describe gravitational waves, the sources that create them, and the various detection methods. Then, we focus on the pulsar timing array technique, and its potential application to the search for gravitational waves from supermassive black hole binary system. We pursue with a detailed description of the statistical and numerical tools that we used in the present work, and present the results of a search ofr an injected signal in the real EPTA data set. Finally, we employ our new method to derive upper limits on the amplitude of a putative signal in the same EPTA data set, as a function of the frequency and sky location of the supermassive black hole binary system.