Modélisation des avant-plans et sources de bruits corrélés pour la recherche d’ondes gravitationnelles de très basses fréquences avec les radiotélescopes de l’International Pulsar Timing Array

On the noise and signal modelling for the search of very-low frequency gravitational waves with International Pulsar Timing Array telescopes

• Auteur / Autrice : Aurélien Chalumeau
• Direction : Stanislav Babak, Gilles Theureau
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique de l'univers
• Date : Soutenance le 16/12/2021
• 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 : Eric Chassande-Mottin
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Stanislav Babak, Gilles Theureau, Eric Chassande-Mottin, Chiara M. F. Mingarelli, Andrea Lommen, Sylvain Chaty, Jonathan Gair, Alberto Sesana
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Chiara M. F. Mingarelli, Andrea Lommen

Mots clés

Mots clés contrôlés

Temps -- Mesure

Analyse des données

Pulsars

Ondes gravitationnelles

Mots clés libres

Ondes gravitationnelles très basses fréquences

Pulsars chronométrés (PTA)

Gravitational waves

Pulsars

Data analysis

Résumé

La thèse est centrée sur lamodélisation des signaux présents dans les données d’un réseau de pulsars chronométrés (Pulsar Timing Array ou PTA) afin d’améliorer la sensibilité pour la recherche d’ondes gravitationnelles de très basses fréquences (du nano-Hz au micro-Hz). Le premier chapitre est une introduction générale du sujet où je présente le contexte scientifique et les méthodes d’analyse utilisés. J’y développe d’abord la notion de modèle de chronométrie des pulsars, en m’appuyant sur un exemple particulier : la caractérisation précise du modèle de rotation du pulsar J1909-3744, avec mise-à-jour des mesures sur l’ensemble des paramètres. Je poursuis avec l’application de cette méthode pour la recherche d’ondes gravitationnelles au nano-Hertz avec PTA, et termine sur les concepts et les outils utilisés dans cette thèse afin de réaliser des analyses de données dans un cadre Bayésien. Le deuxième chapitre porte sur l’optimisation de la prise en compte des bruits intrinsèques à chacun des pulsars, ceci appliqué avec les données récentes de l’EPTA incluant à ce jour six pulsars. Ce travail souligne notamment la grande complexité de l’analyse des données PTA qui combinent des dizaines d’années d’observations de différents pulsars provenant de plusieurs radio téléscopes. Le troisième chapitre présente ma participation aux études récentes sur la recherche d’un fond stochastique d’ondes gravitationnelles (GWB) avec les données de l’European Pulsar Timing Array (EPTA) et celles de l’International Pulsar Timing Array(IPTA), ainsi qu’une évaluation des conséquuences induites par l’optimisation des modèles individuels des pulsars (présentée dans le Chapitre2) sur la mesure du GWB. Les résultats récents provenant des différentes collaborations sont particulièrement intéressants puisqu’ils convergent sur la présence d’un signal commun entre les pulsars, avec l’amplitude et l’indice spectral attendu, sans toutefois pouvoir confirmer encore sa nature gravitationnelle et donc la détection recherchée. Les collaborations travaillent actuellement sur l’amélioration des lots de données (élongation de la couverture temporelle et augmentation significative du nombre de pulsars) afin d’améliorer la précision des résultats. Le quatrième et dernier chapitre est centré sur la prise en compte des incertitudes des éphémérides du Système solaire (SSE) sur les résultats des PTAs, notamment sur la mesure duGWB. En effet, afin de prendre en compte le mouvement de la Terre dans le Système solaire, les temps d’arrivées des impulsions mesurées sont virtuellement translatés au barycentre de celui-ci, et dont la position est donnée par les SSEs. Une collaboration avec l’Institut de mécanique céleste et de calcul des éphémérides (IMCCE), qui produit les SSE, a permis de construire un modèle (nommé EphemGP) appliqué à PTA et prend en compte des perturbations d’orbite des objets principaux du Système solaire. J’y présente une étude détaillée sur l’efficacité du modèle à réduire l’impact des potentielles erreurs des SSEs pour la recherche duGWB, en incluant une comparaison avec d’autres modèles existants, et termine avec l’application du modèle sur les données récentes de l’EPTA.

The thesis focuses on the noise modelling in pulsar timing data and the search for very-low frequency (from nano-Hz to micro-Hz) gravitational waves with Pulsar Timing Array (PTA). The first chapter gives a general introduction of the subject where I present the scientific context and describethe data analysis methods. I start with the notion of pulsar timing, using a specific example: modelling the timimng data of pulsar J1909-3744, where I also present the updated timing parameters.Then I introduce methodology used in searching for gravitational waves at nano-Hertz with PTA, and conclude with the description of tools used in this thesis to perform data analysis within a Bayesian framework. The second chapter focuses on the single-pulsar noise modelling, applied to six pulsars of the EPTA Data Release 2. In particular, this work highlights the great complexity in the analysis of the PTA data which combine decades of observations of different pulsars from several radio telescopes. The third chapter presents results of the search for a stochastic gravitationalwave background (GWB) in the European Pulsar Timing Array (EPTA) and the International Pulsar Timing Array (IPTA) data with a focus on parts with my direct participation. In particular, I present the impact of the custom single-pulsar noise modelling (given in Chapter 2) on the GWB measurement. The recent results from three PTA collaborations are particularly interesting as they converge on the presence of a common red noise signal across considered pulsars with similar amplitude and spectral index, but without being able to confirm yet its gravitational nature and thus the desired GWB detection. Currently, PTAs are working on extending the data sets by adding the latest observations and including more pulsars into analysis to improve the accuracy and uncover the nature of the observed signal. The fourth and last chapter describes the uncertainties in the Solar System Ephemeris (SSE) and their impact on the PTA results, especially on the GWB measurement. We use SSE provided by Institut de mécanique céleste et de calcul des éphémérides(IMCCE) as a basis to construct the model called EphemGP. We demonstrate that this model is efficient at absorbing systematics in the SSE by introducing variations in the orbital parameters of the main planets of the Solar System. The ability to absorb dipolar correlations induced by SSE uncertainties is very import for the robust detection of the GWB. I compare performance of EphemGP to other existing models, and conclude with the application of this model to the recent EPTA data.