Validation expérimentale des performances interférométriques de LISA

Experimental validation of LISA interferometric performances

• Auteur / Autrice : Léon Vidal
• Direction : Hubert Halloin
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique de l'univers
• Date : Soutenance le 14/03/2023
• 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 : Michel Piat
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Michel Piat, Peter Wolf, Éric Kajfasz, Nathalie Besson, Eleonora Capocasa
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Peter Wolf, Éric Kajfasz

Mots clés

Mots clés contrôlés

Appareils et instruments scientifiques

Interférométrie

Laser interferometer space antenna (satellite artificiel)

Ondes gravitationnelles

Mots clés libres

Ondes gravitationnelles

Instrumentation

LISA

Electronique RF

Interférométrie

TDI

Stabilités de phase

Gravitational waves

Instrumentation

LISA

RF electronics

Interferometry

TDI

Phase stability

Résumé

Un siècle après la formulation de la Relativité Générale par Albert Einstein, l'astronomie des ondes gravitationnelles a ouvert une nouvelle fenêtre sur l'Univers. Elle permet l'étude de systèmes comme les binaires de trou noirs, jusqu'à lors imperceptibles avec l'astronomie électromagnétique et neutrino. Les détecteurs terrestres actuels observent en moyenne une source par semaine en mesurant des variations infimes de distances par interférométrie laser. Leur sensibilité est principalement limitée à basse fréquence par les bruits sismiques, ce qui restreint la détection aux sources émettant au dessus de 10 Hz environ. En constituant le premier détecteur spatial d'ondes gravitationnelles, la mission LISA permettra de compléter ces observations en accédant à une nouvelle bande de fréquence allant de 10(-4) à 10(-1) Hz. L'instrument, constitué de 3 satellites, formera une constellation triangulaire en orbite héliocentrique et détectera des fluctuations de longueurs de l'ordre du picomètre entre des masses en chute libre distantes de 2.5 millions de kilomètres. Une multitude de bruits impacteront ces mesures interférométriques et plus particulièrement le bruit de fréquence laser qui sera dominant de plusieurs ordres de grandeurs. Pour pouvoir atteindre la sensibilité requise à la détection des ondes gravitationnelles, des méthodes de réduction de bruits sont testées à l'aide de simulations informatiques et instrumentales. Bien qu'une stabilisation des sources lasers sera effectuée à bord des satellites, l'utilisation d'une méthode numérique est nécessaire à la réduction du bruit de fréquence laser. Un algorithme reposant sur l'interférométrie à temps retardés (TDI) a été formulé à la fin des années 90. Il permet d'obtenir en post traitement un jeu de données affranchi de ce bruit dominant en synthétisant un interféromètre à bras égaux. Depuis plusieurs années et avec le soutien du Centre National D'Études Spatiales (CNES), le simulateur électro-optique LISA On Table (LOT) permet de générer des signaux réalistes de LISA afin de tester TDI au laboratoire Astroparticule et Cosmologie (APC). Tenant compte de l'architecture de LISA, il permet de faire interférer des signaux retardés les un par rapport aux autres. Le LOT ayant ses propres sources de bruits, une première partie de ce travail de thèse a consisté à qualifier puis à améliorer la partie électronique de l'instrument. Les simulations menées ont pu démontrer l'efficacité de TDI à réduire le bruit de fréquence laser au niveau requis en simulant des constellations à bras fixes et flexibles. De plus, le LOT permet aussi de tester un prototype de phasemètre pour LISA. Nos études ont permis de mettre en évidence un couplage entre l'algorithme TDI et les filtres anti-repliement du phasemètre, entraînant l'apparition d'un bruit non stationnaire supplémentaire. Une simulation informatique complémentaire reposant sur un modèle analytique permet en outre d'estimer l'impact de ce couplage dans le cas de LISA.

A century after the formulation of General Relativity by Albert Einstein, gravitational wave astronomy has opened a new window on the Universe. It allows the study of systems such as black hole binaries, until now imperceptible with electromagnetic and neutrino astronomy. Current terrestrial detectors observe on average one source per week by measuring tiny distances fluctuations using laser interferometry. Their sensitivity is mainly limited at low frequencies by seismic noise, which restricts detection to sources emitting above 10 Hz. By constituting the first space based detector of gravitational waves, the Laser Interferometer Space Antenna (LISA) mission will supplement these observations by reaching a new frequency band going from 10(-4) to 10(-1) Hz. The instrument, consisting of 3 satellites, will form a triangular constellation in heliocentric orbit. It will detect distance fluctuations of the order of a picometer between masses in free fall distant from 2.5 million kilometers. Various noises will impact these interferometric measurements and more particularly the laser frequency noise which will be dominant by several orders of magnitude. In order to achieve the required sensitivity for gravitational wave detection, noise reduction methods are being tested using computer and instrumental simulations. Although an onboard stabilization of the laser sources, a numerical method is necessary for the laser frequency noise reduction. An algorithm called Time Delay Interferometry (TDI) was formulated in the late 90s. It allows to obtain in post-processing a data set free of this dominant noise by synthesizing an interferometer with equal arms. For several years and with the support of CNES (Centre National D'Études Spatiales), the electro-optical simulator LISA On Table (LOT) has been used to generate realistic LISA signals in order to test TDI at APC laboratory (Astroparticule et Cosmologie). With respect to LISA architecture, it makes interfere signals delayed one from the other. The LOT having its own sources of noise, a first part of this thesis work consisted in qualifying then improving the electronic part of the instrument. The simulations carried out were able to demonstrate the TDI effeciency in reducing laser frequency noise to the required level by simulating constellations with fixed and flexible arms. In addition, the LOT also tests a phasemeter prototype for LISA. Our studies have shown a coupling between the TDI algorithm and the phasemeter anti-aliasing filters, leading to the appearance of additional non-stationary noise. A complementary computer simulation based on an analytical model allows us to estimate the impact of this new coupling for the LISA case.