Etude du bruit d'Advanced Virgo et recherche du fond stochastique astrophysique gravitationnel.

Advanced Virgo background noise study and research of astrophysical stochastic gravitational background.

• Auteur / Autrice : Carole Perigois
• Direction : Tania Regimbau
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Physique Subatomique et Astroparticules
• Date : Soutenance en 2021
• Etablissement(s) : Chambéry
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale physique (Grenoble, Isère, France ; 1991-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire d'Annecy-le-Vieux de Physique des Particules
• Jury : Président / Présidente : Edwige Tournefier
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Irina Dvorkin, Nicolas Leroy, Edwige Tournefier, Nelson Christensen, Tania Regimbau, Michel Was
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Nicolas Leroy, Nelson Christensen

Mots clés

Mots clés libres

Bruit instrumental

Coalescence de binaires d'objects compacts

Ondes gravitationelles

Gravitational waves

Instrumental noise

Combact binary coalescences

Résumé

Les détecteurs terrestres des collaborations LIGO-Virgo ont terminé début mars 2020, la troisième phase d'observation d'ondes gravitationnelles. Aujourd'hui plus de 50 évènements de coalescences d'objets compacts ont été enregistrés soulevant de nouvelles questions sur les modèles de l'astrophysique actuelle. Les travaux présentés ici se concentrent sur deux domaines, la propagation des bruits dans l'interféromètre Virgo et l'étude de la contribution des coalescences au fond stochastique gravitationnel. La compréhension et la réductions des bruits de l'interféromètre est nécessaire à la compréhension et à la mise en place d'amélioration de Virgo et au design de futurs interféromètres. Dans ces travaux est présentée la modèlisation des boucles d'asservissements. Elles sont utilisées pour contrôler la position des élements optiques ainsi que les caractéristiques du faisceau laser injecté et indispensables au maintient de l'interféromètre à son point de fonctionnement. Cependant elles offrent également un nouveau canal de propagation de bruits dans le détecteur. On distingue trois types d'asservissements : l'asservissement longitidinal qui contrôle la position des miroirs, l'asservissement angulaire qui maintient l'orientation des éléments optiques, et l'asservissement en fréquence du laser. Les travaux présentés ici se concentrent sur deux boucles : une boucle d'asservissement longitudinale (MICH) et une boucle d'asservissement en fréquence (SSFS). Les sources non-résolues par les détecteurs sont l'objet d'un signal, le fond stochastique gravitationnel, qui pourra être détecté dans les prochaines années avec la construction de nouveaux interférometres terrestres de troisième génération (Einstein Telescope et Cosmic Explorer) et spatial (LISA). La contribution des coalescences d'objets compacts dominera ce signal, et ces travaux présentent l'étude de l'impact de différents canaux de formations des objets compacts sur le fond stochastique gravitationnel. Une première étude portera sur l'évaluation du spectre de la densité d'énergie des coalescences d'objets compacts résidus d'étoiles de la population III, prenant en considération deux nouveaux parametres l'évolution orbitale et celle du redshift. Ces deux pamrametres permettent d'étendre l'étude du spectre aux milliHertz, et ainsi prendre en considération LISA. De plus cette étude inclus la population de binaires qui ne fusionne pas dans un temps de Hubble. La seconde étude concerne les binaires d'objets compacts évoluant dans les jeunes amas d'étoiles. Les jeunes amas d'étoiles sont denses et impliquent de prendre en compte de nouveau phénomènes d'évolution des systèmes binaires telle que les interactions dynamiques. De ce fait les systèmes binaires provenant des amas ont des distributions de paramètres (masses, rayon de l'orbite, spin) qui leurs sont propres et qui ont un impact sur le spectre de la densité d'énergie. Ces deux études montrent que l'excentricité et l'inclusion de ces nouveaux canaux de formation n'ont pas d'impact dans les détecteurs terrestres de seconde génération (LIGO-Virgo) mais la détection de ce fond stochastique avec la troisième génération de détecteurs pourraient apporter des informations cruciales quant à la formation des systèmes binaires.

The LIGO-Virgo collaborations detectors ended last march 2020 the third gravitational waves observation run. Today more than 50 events of compacts binaries coalescences have been registerd highlighting new questions on current astrophysical models. In this manuscript are studied two main areas the noise propagation in the Virgo interferometer and the study of the impact of different binary population formation channels to the gravitational stochastic background. The understanding and the reduction of the interferometer noises are crucial for detectors understanding and updates, and new interferometer designs. In this manuscript is presented the control loops modeling. They are used to control the position of the interferometer optical elements and the laser beam characteristics, and are essential to maintain the interferometer at its working point. However it offers new opportunities for noises to propagate into the detector. We distinguish three types of controls : longitudinal control aims to constrain the mirrors position, the angular control insure the orientation of optical elements and the laser control maintain the laser frequency and power stable. This study presents two loops: one longitudinal control loop MICH and the frequency control loop SSFS. Non-resolved sources participate to a signal called stochastic gravitational waves background, which will be detected in the next years with the future third generation interferometers (Einstein Telescope and Cosmic Explorer) and the space antenna (LISA). The compact binary coalescences are expected to be the main contribution to this signal, and these studies aim to present the impact of some compact object formation channels to the stochastic background. A first study evaluate the energy density spectra of binary coalescences from population III stars, accounting for two new parameters the orbital and the redshift evolution. These parameters allowed to extend this study in the millihertz frequency range, including then the LISA sensitivity. In addition, a new population of non-merging binaries has been included. A second study concerns compact object binaries from young star cluster. These clusters are dense and imply new phenomena in the stars evolution as dynamical interactions. This new formation channel yields to specific parameter distributions (mass, orbital distance, spin), which are impacting the energy density background spectra. These two studies demonstrate that neither these formation channels nor the orbital evolution have an impact on the stochastic background in 2G detectors (LIGO-Virgo). However, the detection of this background by third generation detectors might reveal crucial informations concerning these formation channels.