Caractérisation et interprétation des signaux d'ondes gravitationnelles : des résultats des pulsar timing arrays aux contraintes des futurs détecteurs

Probing gravitational wave signals from astrophysical and cosmological sources : from low-frequency constraints to future prospects

• Auteur / Autrice : Hippolyte Quelquejay Leclere
• Direction : Stanislav Babak, Danièle Steer
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique de l'univers
• Date : Soutenance le 06/10/2025
• 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 : Gilles Theureau, Chiara Caprini, Michele Vallisneri
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Sarah J. Vigeland, Marc Besançon
• DOI : 10.70675/6ff316bfz41c6z483bza444z1e2ead615d44

Mots clés

Mots clés contrôlés

Trous noirs (astronomie)

Analyse des données

Pulsars

Ondes gravitationnelles

Mots clés libres

Ondes gravitationnelles

Pulsars

Analyse de données

Trous noirs supermassifs

Gravitational Waves

Pulsars

Data analysis

Supermassive Black Holes

Résumé

Depuis sa formulation par Einstein, la théorie de la relativité générale --- qui décrit la gravité comme une manifestation de la nature dynamique de l'espace-temps --- constitue un formidable succès théorique. La prédiction de l'existence de perturbations de la métrique de l'espace-temps se propageant à la vitesse de la lumière --- les ondes gravitationnelles (OG) --- produites par les événements les plus extrêmes de notre Univers, a été confirmée par le Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO) en 2015. En détectant pour la première fois la fusion de deux trous noirs d'environ trente fois la masse du Soleil, situés à plus de 400 mégaparsecs de la Terre, LIGO a ouvert la voie à l'observation directe de la dynamique des trous noirs, permettant d'obtenir des informations uniques sur leurs propriétés et leur abondance. Mais les OG offrent bien d'autres possibilités, allant de l'observation des tout premiers instants de l'Univers à de nouveaux tests des prédictions de la relativité générale. Ce travail se concentre sur les OG de basse fréquence, actuellement sondées par les réseaux de pulsars chronométrés (PTA, pour Pulsar Timing Array). En observant les impulsions radio périodiques et hautement stables émises par des pulsars millisecondes, les PTA visent à détecter les fluctuations induites par les OG qui traversent notre Galaxie. Ces OG peuvent provenir de binaires de trous noirs supermassifs ou avoir été produites dans les tout premiers instants de l'Univers. En juin 2023, près d'un an après le début de ce travail, les collaborations PTA ont rapporté les premiers signes de la présence d'un signal stochastique induit par des OG dans leurs données. Cette thèse se concentre sur les résultats de la collaboration européenne (EPTA) et explore les techniques d'analyse de données utilisées pour caractériser ce signal et contraindre les modèles astrophysiques et cosmologiques pouvant être à son origine. Le manuscrit est divisé en trois parties. La première partie étudie un ensemble de techniques utilisées pour rechercher et interpréter les signaux stochastiques induits par les OG dans les données PTA. Les performances de ces différentes méthodes sont comparées, en les appliquant au cas d'un modèle de signal d'OG d'origine cosmologique, produit par un réseau de cordes cosmiques. De nouvelles contraintes sur ces défauts topologiques unidimensionnels hypothétiques, formés dans l'Univers primordial, sont obtenues. Nous explorons également l'impact de la modélisation des bruits intrinsèques aux pulsars sur l'inférence des propriétés du signal gravitationnel, notamment l'effet du vent solaire et de sa variabilité. La deuxième partie explore l'interprétation astrophysique du signal détecté par les PTA. À l'aide de la simulation cosmologique Horizon-AGN, nous développons une méthode permettant d'estimer de façon réaliste les signaux stochastiques provenant de populations de trous noirs supermassifs. Ces prédictions sont comparées aux observations de l'EPTA, où nous soulignons l'importance de la prise en compte des limitations intrinsèques de l'inférence spectrale utilisée par les PTA lors de l'interprétation de leurs résultats. La troisième partie se concentre sur les capacités des détecteurs d'OG de nouvelle génération à contraindre la physique de l'Univers primordial. Nous nous concentrons sur le Square Kilometre Array pour la bande des nanohertz, la mission Laser Interferometer Space Antenna (LISA) pour la bande des millihertz, ainsi que sur les interféromètres Einstein Telescope et Cosmic Explorer pour la bande des decahertz. Nous estimons leurs capacités à contraindre la présence d'un fond stochastique d'OG issu de cordes cosmiques ainsi que la fréquence attendue de mph{burst} gravitationnels provenant de ces défauts topologiques que LISA pourra détecter.

Since Einstein formulated the theory of General Relativity --- describing gravity as a manifestation of the dynamical nature of spacetime --- observations have consistently validated its predictions. One of the fundamental consequences of the theory is the existence of perturbations in the space-time metric, propagating at the speed of light, known as gravitational waves (GWs), which are produced by the most extreme events in our Universe. This prediction was confirmed by the Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO) in 2015. By detecting for the first time the merger of two stellar-mass black holes, each about thirty times the mass of the Sun and located more than 400 megaparsecs away from our Galaxy, LIGO opened the way to the direct observation of black hole dynamics, enabling unique measurements of their properties and abundance. However, observing GWs offers many more possibilities, ranging from the observation of the very first moments of the Universe to new tests of general relativity. This thesis focuses on the low-frequency part of the GW spectrum, which is currently probed by Pulsar Timing Arrays (PTAs). By monitoring the highly stable periodic radio pulses emitted by millisecond pulsars, PTAs aim to detect fluctuations induced by GWs as they pass through our Galaxy. These GWs may originate from supermassive black hole binaries or could have been produced in the very early Universe. In June 2023, nearly one year after the beginning of this work, several PTA collaborations reported the first evidence for a GW-induced stochastic signal in their data. This thesis focuses on the European PTA (EPTA) dataset and investigates the data analysis techniques used to characterize this signal and to constrain theoretical models predicting such a signal in the PTA frequency band. The manuscript is divided into three main parts. The first part examines a set of techniques used to search for and interpret stochastic signals induced by GWs in PTA data. We compare the performance of these methods by applying them to a model of a cosmological GW signal produced by a network of cosmic strings. New constraints are obtained on these hypothetical one-dimensional topological defects formed in the early Universe. We also explore the impact of the intrinsic pulsar noise modelling on the inference of the GW signal properties, in particular the effect of the solar wind and its variability. The second part explores the astrophysical interpretation of the PTA signal. Using the cosmological hydrodynamical simulation Horizon-AGN, we develop a pipeline to estimate realistic GW signals from a population of supermassive black hole binaries and compare these with the EPTA observations. We highlight the importance of properly accounting for the limitations and capabilities of the spectral inference performed by the PTA analysis pipeline, when interpreting the detected signal. The third part focuses on the capabilities of next-generation GW detectors to constrain early-Universe physics. We concentrate on the Square Kilometre Array for the nano-hertz band, the Laser Interferometer Space Antenna (LISA) for the milli-hertz band, and the Einstein Telescope and Cosmic Explorer interferometers for the deca-hertz band. We compute their projected constraints on the presence of a stochastic GW background from cosmic strings and estimate the expected rate of individual GW bursts from cosmic strings that LISA will be able to detect.