Étude des pré-déclenchements lors de la recherche à faible latence de coalescences de binaires compactes par le logiciel MBTA

Study of Early Warning during the low-latency search for compact binary coalescence using the MBTA pipeline

• Auteur / Autrice : Christopher Allene
• Direction : Damir Buskulic
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique Subatomique et Astroparticules
• Date : Soutenance le 11/09/2024
• Etablissement(s) : Chambéry
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale physique (Grenoble, Isère, France ; 1991-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire d'Annecy de physique des particules (Haute-Savoie, France ; 1976-....)
• Jury : Président / Présidente : Gilles Christian Georges Maurin
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Marie-Anne Bizouard, Laurent Derome, Nicolas Leroy
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Gianluca Maria Guidi, Viola Sordini

Mots clés

Mots clés contrôlés

Analyse des données

Interféromètres

Ondes gravitationnelles

Mots clés libres

Ondes gravitationnelles

LIGO

Virgo

Analyse de données

Coalescences de binaires compactes

Gravitational waves

LIGO

Virgo

Data analysis

Compact binary coalescences

Résumé

Le 17 août 2017, l'événement GW170817 fut la première et à ce jour la seule détection multi-messager. Cette coalescence d'une binaire d'étoiles à neutrons a pu être conjointement observée dans le domaine des ondes gravitationnelles et dans celui des ondes électromagnétiques sur plusieurs longueurs d'ondes. La rareté de ces événements comprenant des étoiles à neutrons et ayant une contrepartie électromagnétique oblige les collaborations à mettre en place des systèmes pour optimiser leur détection et plus spécifiquement les chaînes de détection basse latence à développer de nouvelles méthodes. C'est pourquoi les travaux réalisés et présentés durant cette thèse portent sur le développement et le lancement d'un système dit de pré-déclenchement (ou ''d'Early Warning'') pour le logiciel MBTA utilisé par la collaboration LIGO-Virgo-KAGRA. Un tel système permet d'envoyer une alerte aux divers observatoires électromagnétiques en amont de la fusion de deux compagnons ayant lieu dans les derniers instants de la coalescence, permettant alors d'orienter les détecteurs vers la source pour en observer les premières émissions. Dans le présent manuscrit, en commençant par une présentation théorique des ondes gravitationnelles et de leurs sources possibles, une attention particulière est portée aux systèmes de binaires compactes ayant une plus grande pertinence dans le cadre de cette étude. On présente également une vue d'ensemble des différents détecteurs d'ondes gravitationnelles en mettant en avant les grands interféromètres. S'ensuit la description de l'analyse basse latence des signaux de binaires compactes ainsi que des stratégies de rejet élaborées au sein du logiciel MBTA. De ces méthodes d'analyse basse latence, nous approfondissons l'étude des pré-déclenchements, mettant en lumière la méthodologie spécifique employée par MBTA lors du déroulement de la campagne observationnelle O4. La construction des banques de calques nécessaires au filtrage dans la configuration des recherches avec pré-déclenchements est notamment abordée en détail. Ceci comprend entre autres la vérification de l'efficacité de ces banques et de la recherche avec pré-déclenchement via des simulations en conditions réelles d'observation et leur analyse post-traitement. Pour poursuivre l'analyse post-traitement, est développée une méthode novatrice de traitement des pré-déclenchements par la mise en corrélation des multiples canaux de pré-déclenchement menant à la construction de coïncidences inter-recherches. Une étude détaillée de ces nouvelles coïncidences est ensuite exposée, visant à établir un taux de fausses alarmes spécifiquement dédié. Un ensemble de propositions cataloguant les développements possibles et améliorations du système de pré-déclenchement et de coïncidences inter-recherche vient clore ce manuscrit.

On 17 August 2017, GW170817 was the first and so far only multi-messenger detection involving gravitational waves. This coalescence of a binary neutron star was jointly observed in the gravitational wave and in the electromagnetic domain at several wavelengths. The rarity of these events, which include neutron stars and have an electromagnetic counterpart, motivates collaborations to set up systems to optimize their detection and, more specifically, to develop new methods for low-latency pipelines. This is why the work carried out and presented in this thesis covers the development and launch of a so-called 'Early Warning' system for the MBTA pipeline used by the LIGO-Virgo-KAGRA collaboration. Such a system makes it possible to send an alert to the various electromagnetic observatories ahead of the merger of two companions taking place in the final moments of the coalescence, making it possible to direct the telescopes and detectors towards the source in order to observe its first emissions. Starting with a theoretical presentation of gravitational waves and their possible sources, particular attention is paid to systems of compact binaries that are of greater relevance to this study. An overview of the various gravitational wave detectors is also presented, with particular emphasis on the large interferometers. This is followed by a description of the low-latency analysis of compact binary signals and the rejection strategies developed within the MBTA pipeline. From these low-latency analysis methods, we take a closer look at early warnings, highlighting the specific methodology used by MBTA during the O4 observational campaign.In particular, the construction of the template banks required for filtering in the configuration of early warning searches is discussed in detail. This includes verifying the effectiveness of these banks and of the early warning search via simulations under real observing conditions, and their post-processing analysis. To improve the post-processing analysis, an innovative method is being developed for processing early warnings by correlating multiple early warning channels, leading to the construction of inter-search coincidences. A detailed study of these new coincidences is then presented, aiming to establish a specifically dedicated false alarm rate. A set of proposals cataloging possible developments and improvements to the pre-triggering and inter-search coincidence system concludes the manuscript.