Recherche d'un fond stochastique d'ondes gravitationnelles à l'aide d'un réseau d'interféromètres mondial

Search for a gravitational-wave background using a global interferometer network

• Auteur / Autrice : Kamiel Janssens
• Direction : Nelson Christensen, Nick Van Remortel
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 24/10/2023
• Etablissement(s) : Université Côte d'Azur en cotutelle avec Universiteit Antwerpen
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences fondamentales et appliquées (Nice ; 2000-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Astrophysique Relativiste Théories Expériences Métrologie Instrumentation Signaux (Nice)
• Jury : Président / Présidente : Sofie Cambré
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Nelson Christensen, Nick Van Remortel, Sofie Cambré, Joseph D. Romano, Alexander Sevrin, Marie-Anne Bizouard, Thomas Callister
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Joseph D. Romano, Alexander Sevrin

Mots clés

Mots clés contrôlés

Bruit électromagnétique

Bruit -- Mesure

Interférométrie

Ondes gravitationnelles

Mots clés libres

Fond stochastique d'ondes gravitationnelles

Bruit corrélé

Ondes gravitationnelles

Détecteur interférométrique

Bruit magnétique

Bruit Newtonien

Bruit sismique

Stochastic gravitational wave background

Correlated noise

Gravitational waves

Interferometric detector

Magnetic noise

Newtonian noise

Seismic noise

Stochastische achtergrond van zwaartekrachtgolven

Gecoreleerde ruis

Zwaartekrachtgolven

Interferometrische detector

Magnetische ruis

Seismische ruis

Newtoniaanse ruis

Résumé

L'observation du fond (stochastique) d'ondes gravitationnelles (FOG) avec des détecteurs interférométriques terrestres fournira des informations sur les processus astrophysiques et/ou cosmologiques de l'Univers primordial. Il est essentiel d'acquérir une connaissance approfondie de la qualité des données et de la présence de bruits environnementaux pour pouvoir aborder les futures détections avec confiance. Dans ce travail, une étude complète est présentée sur une grande variété de problèmes potentiels de qualité des données pour la recherche d'un FOG isotrope, spécifiquement pour des détecteurs interférométriques terrestres.Pour garantir des résultats d'analyse fiables, les caractéristiques non-stationnaires ainsi que les artefacts spectraux doivent être traités. Pendant la troisième période d'observation (O3) du Laser Interferometer Gravitational-wave Observatory (LIGO) et de Virgo, des artefacts spectraux problématiques ont été détectés. Ils ont été identifiés et éliminés des analyses. De plus, des améliorations apportées aux procédures pour la quatrième campagne d'observation (O4) sont présentées.Dans un second temps, il est nécessaire de comprendre l'effet des sources de bruit corrélé entre les détecteurs. Lorsqu'elles ne sont pas correctement prises en compte, ces sources de bruit peuvent biaiser ou même empêcher les détections futures d'un FOG dans la bande de fréquences de 1Hz à 1kHz. Les observations de corrélations de fluctuations du champ magnétique sont comprises. En utilisant des mesures de couplage des champs magnétiques aux détecteurs, l'effet du bruit magnétique corrélé sur les analyses d'ondes gravitationnelles (OG) est prédit. Les analyses d'un FOG isotrope pourraient être contaminées par un bruit magnétique corrélé lorsque les détecteurs atteindront leur sensibilité finale dans la seconde moitié de la décennie 2020. Les projets tels que Einstein Telescope (ET) et Cosmic Explorer, qui sont maintenant dans leur phase de conception, devraient sérieusement tenir compte de la menace du bruit magnétique (corrélé). S'il n'est pas traité, le bruit magnétique environnemental dominera la sensibilité des détecteurs en dessous de ~15Hz. La configuration triangulaire équilatérale de trois détecteurs imbriqués d'ET apporte certains avantages tels que le canal nul. Ce canal est insensible aux vsignaux d'OG de n'importe quelle direction. En effet, ceci serait utile pour estimer le bruit du détecteur, car ET recevra de nombreux signaux se chevauchant. Cette étude comporte une description pour tenir compte de l'effet des sources de bruit non identiques et corrélées dans le contexte du canal nul. Cependant, la configuration triangulaire du détecteur a aussi des désavantages. Le placement colocalisé de différents détecteurs permet à des sources de bruit supplémentaires de se coupler de manière cohérente à plusieurs détecteurs. Cela pourrait avoir un impact négatif sur les capacités d'ET à observer un FOG. La possibilité de bruit sismique et de bruit Newtonien corrélés est étudiée et démontrée comme étant problématique. Plus précisément, le bruit Newtonien corrélé des ondes sismiques de volume a le potentiel de submerger un signal FOG jusqu'à ~40Hz. Les niveaux de soustraction de bruit attendus seront inadéquats pour traiter correctement cette source de bruit corrélée pour les recherches d'un FOG.Enfin, ce travail présente la construction d'une probabilité de fausse alarme pour différencier un signal de bruit corrélé d'un signal FOG reposant sur la géodésie d'OG. Ce cadre sera utile pour valider et renforcer la confiance dans les futures détections d'un FOG entre 1Hz et 1kHz.En plus de la poursuite d'une compréhension plus profonde de l'Univers à travers l'observation des OG, ce travail comporte également une étude portant sur le bien-être mental des chercheurs. Les résultats de la première enquête sur les grandes collaborations internationales dans le domaine de l'astrophysique des OG et des hautes énergies sont abordés.

Observing the (stochastic) gravitational-wave background ((S)GWB) with Earth-based interferometric detectors will provide insights in astrophysical and/or cosmological processes in the early Universe. To confidently claim a detection in the future, a profound knowledge of the data quality and potential contamination by (environmental) noise sources is of the utmost importance. In this work a comprehensive study is presented on a wide variety of potential data quality issues that may arise in the search for an isotropic GWB, both with current as well as next generation Earth-based gravitational-wave (GW) interferometric detectors.To ensure reliable analysis results, non-stationary features as well as spectral artefacts have to be addressed first. The problematic spectral artefacts during the third observing run (O3) by the Laser Interferometer Gravitational-wave Observatory (LIGO) and Virgo were identified and removed from the analyses by applying notches. Furthermore, improvements to the followed procedures for the fourth observing run (O4) are presented.Secondly, one needs to understand the effect of noise sources which are correlated between the observing detectors. When not properly accounted for, these noise sources could bias, or in the worst case even prevent, future detections of a GWB in the Hz to kHz frequency band. Observations of Earth-scale correlations in magnetic field fluctuations are described between 1Hz and 1kHz. By using measurements of the coupling strength of magnetic fields to GW detectors, the effect of correlated magnetic noise on GW searches is predicted. Searches for an isotropic GWB could become contaminated by correlated magnetic noise when the detectors reach their design sensitivity in the second half of the 2020 decade. Future projects such as the Einstein Telescope (ET) and Cosmic Explorer (CE), which are now in their design phase, should seriously consider the threat of (correlated) magnetic noise. If not addressed, environmental magnetic noise will dominate the detectors' sensitivity below ∼15Hz. The equilateral triangular configuration of three nested GW detectors of the ET brings certain advantages such as the sky independent null channel, which is insensitive to GW signals from any direction. This would prove useful for the iestimation of the detector noise, as the ET will have many overlapping signals at any given time. Whitin this context, this work includes a description how to take the effect of non-identical and correlated noise sources into account in the null channel framework. However, the triangular detector configuration comes at a cost. The (nearly) co-located placement of different detectors results in additional noise sources coupling coherently to multiple detectors. This could have a detrimental impact on the ET's capabilities in observing a GWB. The possibility of correlated seismic and Newtonian noise is investigated and shown to be problematic. More specifically, correlated Newtonian noise from seismic body waves has the potential to overwhelm a GWB signal up to ∼40Hz by many orders of magnitude. Expected levels of noise subtraction will be inadequate to properly deal with this correlated noise source for GWB searches.Finally, this work presents the construction of a false alarm probability to differentiate between a correlated noise signal and a GWB signal relying on GW-geodesy. This framework will be useful to validate and build confidence in future detections of a Hz-kHz GWB.In addition to the pursuit of a more profound understanding of the Universe throughthe observation of GWs, this work also pays attention to the mental well-being of thescientists pursuing this scientific endeavour. The results of the first survey focusingon large, international collaborations in the field of GW and high energy astrophysicsare discussed.

De observatie van een (stochastische) achtergrond van zwaartekrachtgolven ((S)AZG) met interferometrische detectoren op Aarde zal ons inzicht geven in astrofysische en kosmologische processen in het jonge Universum. Een diepgaande kennis van de datakwaliteit en potentiele ruisbronnen is vereist om vertrouwen te hebben in toekomstige observaties. Dit werk presenteert een uitgebreide studie van een grote verscheidenheid aan problemen met datakwaliteit voor de analyse van een isotrope AZG met zowel de huidige als ook de volgende generatie interferometrische zwaartekrachtgolf (ZG) detectoren op Aarde. Om betrouwbare resultaten te garanderen, moeten eerst niet-stationaire data en spectrale artefacten aangepakt worden. De problematische spectrale artefacten tijdens de derde observatie periode (O3) van de ‘Laser Interferometer Gravitationalwave Observatory’ (LIGO) en Virgo werden geidentificeerd en verwijderd uit de analyse. Verder werden verbeteringen aan de te volgen procedures voor de vierde observatie periode (O4) gepresenteerd. Nadien moet het effect van gecorreleerde ruis op de detectoren begrepen worden. Indien dit niet goed in rekening wordt gebracht, kunnen deze ruisbronnen een afwijking introduceren in toekomstige analyses, of in het slechtste geval zelfs een detectie van een AZG in de Hz tot kHz frequentieband verhinderen. Correlaties in magnetische veld-fluctuaties over afstanden van duizenden kilometers worden in dit werk beschreven tussen 1Hz en 1kHz. Door gebruik te maken van metingen van de koppelingssterkte van magnetische velden naar de ZG detectoren worden er voorspellingen gemaakt van het effect van gecorreleerde magnetische ruis op de zoektocht naar ZG signalen. De analyse voor een isotrope AZG kan aangetast worden wanneer de detectoren hun geplande sensitiviteit bereiken in de tweede helft van het 2020 decennium. Volgende generatie detectoren zoals de ‘Einstein Telescope’ (ET) en ‘Cosmic Explorer’ (CE), die momenteel in hun ontwerpfase zijn, moeten de dreiging van (gecorreleerde) magnetische ruis ernstig nemen. Indien dit niet aangepakt wordt, dan zal environmentele magnetische ruis de sensitiviteit van de detectoren domineren onder ∼15Hz. De gelijkzijdige driehoeksconfiguratie v van de ET, bestaande uit drie in elkaar passende detectoren, heeft enkele voordelen zoals een nul kanaal dat ongevoelig is voor ZGen vanuit eender welke richting. Dit kan gebruikt worden om ET’s detector ruis af te schatten aangezien dit niet triviaal zal zijn door de vele overlappende signalen op elk gegeven moment. Dit werk introduceert een beschrijving om niet-identieke en gecorreleerde ruis in rekening te brengen in de context van het nul kanaal. De driehoeksconfiguratie komt echter ook met een nadeel. De gecolokaliseerde plaatsing van de detectoren zorgt dat ruis op een coherente wijze kan koppelen aan de verschillende detectoren. Dit kan een schadelijke impact hebben op ETs vermogen om een AZG te observeren. De mogelijkheid van gecoreleerde seismische en Newtoniaanse ruis is bestudeerd en problematisch bevonden. In het bijzonder Newtoniaanse ruis van seismische ruimtegolven heeft het potentieel om een AZG signaal tot ∼40Hz met verschillende grootteordes te bedelven. De verwachtte niveaus van ruisonderdrukking zijn ontoereikend om effectief af te rekenen met het effect van gecorreleerde ruis op de analyse voor een AZG. Tenslotte, presenteert dit werk de constructie van een valse alarm waarschijnlijkheid om te differentieren tussen een signaal van gecorreleerde ruis en een AZG signaal, gebaseerd op ZG geodesie. Deze methode zal nuttig zijn om toekomstige detecties van een Hz-kHz AZG te valideren. Naast het streven naar een dieper begrip van het Universum door observatie van ZGen, besteedt dit werk ook aandacht aan het mentale welzijn van de wetenschappers. De resultaten van de eerste vragenlijst gericht op grote, internationale samenwerkingen in het vakgebied van ZGen en hoge energie astrofysica worden besproken.