Simulation and Data Analysis for LISA : Modélisation instrumentale, interférométrie retardée, étude de performance de la réduction des bruits, et discrimination de signaux gravitationnels courts

Simulation and Data Analysis for LISA : Instrumental Modeling, Time-Delay Interferometry, Noise-Reduction Permormance Study, and Discrimination of Transient Gravitational Signals

• Auteur / Autrice : Jean-Baptiste Bayle
• Direction : Antoine Petiteau
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique de l'Univers
• Date : Soutenance le 21/10/2019
• Etablissement(s) : Université Paris Cité
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences de la terre et de l'environnement et physique de l'univers (Paris ; 2014-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : AstroParticule et Cosmologie (Paris ; 2005-....)
• Jury : Président / Présidente : Sylvain Chaty
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Isabelle Petitbon, Gilles Theureau, Frédérique Marion
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Michele Vallisneri, Gerhard Heinzel

Mots clés

Mots clés contrôlés

Calibrage

Capteurs optiques

Interféromètres laser

Simulation par ordinateur

Interférométrie

LISA Pathfinder (satellite artificiel)

Ondes gravitationnelles

Mots clés libres

Onde gravitationnelle

Astronomie gravitationnelle

LISA

Interférométrie retardée

TDI

Calibration

Réduction de bruit

Gravitational wave

Gravitational astronomy

LISA

Time-delay interferometry

TDI

Calibration

Noise reduction

Résumé

Laser Interferometer Space Antenna est une mission de l'Agence Spatiale Européenne visant à mesurer les ondes gravitationnelles dans le domaine millimétrique. Trois satellites en formation triangulaire autour du Soleil s'échangent des faisceaux lasers. Les variations de distances entre masses d'épreuve, dues aux ondes gravitationnelles, sont mesurées au picomètre près. Plusieurs algorithmes de réduction des bruits instrumentaux qui contaminent les mesures sont utilisés avant l'extraction des signaux gravitationnels.Afin d'évaluer la performance de ces algorithmes, nous étudions la manière dont les bruits instrumentaux apparaissent dans les mesures, ainsi que leurs résidus après calibration. Un outil de simulation numérique flexible, destiné à générer les mesures de manière réaliste, permet de valider ces résultats. En effet, LISANode propage les séries temporelles de bruit entre les satellites et sur les bancs optiques, jusqu'aux phasemètres et aux ordinateurs embarqués. Il calcule aussi la réponse aux ondes gravitationnelles. Par ailleurs, LISANode permet de générer les combinaisons Time-Delay Interferometry exemptes de bruit laser, ainsi que la calibration pour les bruits d'horloge.Malheureusement, ces bruits ne disparaissent pas totalement si l'on tient compte des imperfections instrumentales et numériques. Nous étudions en particulier l'impact de la déformation de la constellation, ainsi que du traitement des données en vol. Nous modélisons le couplage déformation-filtrage et proposons une technique permettant de réduire cet effet. En outre, nous proposons une méthode de calibration exacte des bruits d'horloge. Les simulations permettent de valider ces résultats, et confirment la possibilité de réduire les bruits dominants aux niveaux requis.Nous considérons aussi les techniques d'apprentissage automatique pour discriminer les artéfacts instrumentaux et les signaux gravitationnels courts. Une étude analytique montre un couplage différemment dans les mesures, et les premières expériences suggèrent que certains réseaux de neurones peuvent distinguer ces deux types de signaux.

The Laser Interferometer Space Antenna is a European Space Agency mission that aims to measure gravitational waves in the millihertz range. Three spacecraft are placed in a quasi-equilateral triangular formation whose barycenter trails the Earth on its heliocentric orbit. Laser beams are exchanged to monitor pico-metric variations between the test masses due to gravitational waves. Because various instrumental noise sources couple to the measurements, several data processing techniques are used to reduce them before we can extract gravitational-wave signals.To study these noise-reduction algorithms, we propose a realistic instrumental model. We investigate how the main noise sources appear in the measurements and work out their residuals in almost noise-free combinations. To validate these results, we develop a flexible numerical simulation tool that aims to generate realistic measurements: LISANode propagates noise time series between the spacecraft and in the optical benches, all the way down to the phasemeters and the on-board computers. It also computes the response to gravitational waves. LISANode is capable of executing the main noise-reduction algorithms, including the computation of Time-Delay Interferometry laser noise-free combinations, as well as clock-calibrated combinations.As we account for instrumental and numerical imperfections, noises do not exactly vanish in the final combinations. In particular, we study the performance hit of the constellation flexing and the on-board data processing on the laser-noise reduction. We model the flexing-filtering coupling and propose a technique to mitigate this effect. Moreover, we derive exact clock-noise calibration expressions. Simulations are used to validate these results and confirm that the dominant sources of noise can be reduced to the required levels.We also investigate machine-learning techniques to discriminate between instrumental glitches and transient gravitational signals. Analytic studies show that both appear differently in noise-free combinations and experiments suggest that some neural networks are capable of distinguishing between them.