Recherche de signaux transitoires longs d’ondes gravitationnelles dans les données LIGO-Virgo

Searching for long transient gravitational waves in the LIGO-Virgo data

• Auteur / Autrice : Samuel Franco
• Direction : Patrice Hello
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 03/07/2014
• Etablissement(s) : Paris 11
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Particules, Noyaux, Cosmos (Paris ; 2009-2015)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de l'accélérateur linéaire (Orsay, Essonne ; 1969-2019)
• Jury : Président / Présidente : Achille Stocchi
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Patrice Hello, Achille Stocchi, Rémi Michel, Nelson Christensen, Robert Mochkovitch, Patrick Sutton
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Rémi Michel, Nelson Christensen

Mots clés

Mots clés contrôlés

Traitement du signal

Interférométrie

Ondes gravitationnelles

Mots clés libres

Ondes gravitationnelles

Interférométrie

Signaux transitoires longs

Analyse du signal

Gravitational waves

Interferometry

Long transients

Signal Processing

Résumé

Cette thèse présente les résultats de l'analyse all-sky STAMPAS de recherche de signaux transitoires longs d'ondes gravitationnelles, dans les données 2005-2007 des interféromètres LIGO et Virgo. Les ondes gravitationnelles sont des perturbations de la métrique de l'espace-temps, et les expériences Virgo et LIGO sont conçues pour les détecter. Ces expériences sont des interféromètres de Michelson, avec des bras longs respectivement de 3 km et 4 km, dont la luminosité en sortie est modifiée lors du passage d'une onde gravitationnelle.Jusqu'à très récemment, les pipelines de recherche de signaux transitoires se concentraient uniquement sur les signaux courts, qui durent moins d'une seconde, et sur les signaux de coalescence de binaires. STAMPAS est l'un des tout premiers pipelines entièrement dédiés à la recherche de signaux transitoires longs, qui durent d'une à plusieurs centaines de secondes.Ces signaux sont émis, entre autres, par les instabilités qui apparaissent pendant la violente création des proto-étoiles à neutrons. Les instabilités dans les supernovae à effondrement gravitationnel et celles des disques d'accrétion sont également de possibles sources de signaux transitoires longs. Les coalescences de binaires excentriques de trous noirs sont elles aussi censées émettre de puissantes ondes gravitationnelles pendant plusieurs secondes avant leur fusion.STAMPAS est basé sur la corrélation de données issues de deux interféromètres. On construit des cartes temps-fréquence à partir des données, et leurs pixels les plus significatifs sont agrégés et forment les ''triggers'' (candidats potentiels d'ondes gravitationnelles). Aucune hypothèse sur la provenance, le temps ou la forme des signaux recherchés n'est formulée.La première analyse effectuée avec STAMPAS a été réalisée à partir des données acquises entre 2005 et 2007 par les deux détecteurs LIGO. Après une sélection rigoureuse des ''triggers'', l'analyse en a révélé un taux proche du bruit Gaussien attendu, ce qui constitue un accomplissement majeur. Aucune onde gravitationnelle n'a été détectée, et nous avons établi des limites hautes sur les taux astrophysiques de plusieurs modèles de sources d'instabilités de disques d'accrétion et de coalescences de binaires excentriques de trous noirs. Le pipeline STAMPAS a montré qu'il sera efficace dans la recherche des signaux transitoires longs d'ondes gravitationnelles lors de la prochaine génération d'interféromètres.

This thesis presents the results of the STAMPAS all-sky search for long transient gravitational waves in the 2005-2007 LIGO-Virgo data. Gravitational waves are perturbations of the space-time metric. The Virgo and LIGO experiments are designed to detect such waves. They are Michelson interferometers with 3 km and 4 km long arms, whose light output is altered during the passage of a gravitational wave.Until very recently, transient gravitational wave search pipelines were focused on short transients, lasting less than 1 second, and on binary coalescence signals. STAMPAS is one of the very first pipelines entirely dedicated to the search of long transient gravitational wave signals, lasting from 1s to O(100s).These signals originate, among other sources, from instabilities in protoneutron stars as a result of their violent birth. The standing accretion shock instability in core collapse supernovae or instabilities in accretion disks are also possible mechanisms for gravitational wave long transients. Eccentric black hole binary coalescences are also expected to emit powerful gravitational waves for several seconds before the final plunge.STAMPAS is based on the correlation of data from two interferometers. Time-frequency maps of the data are extracted, and significant pixels are clustered to form triggers. No assumption on the direction, the time or the form of the signals is made.The first STAMPAS search has been performed on the data from the two LIGO detectors, between 2005 and 2007. After a rigorous trigger selection, the analysis revealed that their rate is close to Gaussian noise expectation, which is a significant achievement. No gravitational wave candidate has been detected, and upper limits on the astrophysical rates of several models of accretion disk instability sources and eccentric black holes binary coalescences have been set. The STAMPAS pipeline demonstrated its capabilities to search for any long transient gravitational wave signals during the advanced detector era.Keywords: Gravitational waves, Interferometry, Long transients, Signal Processing, Accretion Disk Instabilities, Eccentric Black Hole Binaries.