Binaires glactiques avec LISA

Galactic Binaries with LISA

• Auteur / Autrice : Christopher Aykroyd
• Direction : Christophe Le poncin-lafitte
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Astronomie et Astrophysique
• Date : Inscription en doctorat le 01/10/2022
• Etablissement(s) : Université Paris sciences et lettres
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Astronomie et astrophysique d'Île-de-France (Paris ; 1992-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Département d'astronomie fondamentale de l'Observatoire de Paris (1985-1998)
• Partenaire(s) de recherche : Equipe de recherche : Théorie et métrologie
• Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : Observatoire de Paris (1667-....)

Mots clés

Mots clés libres

Modélisation

Mécanique céleste

Marée

Relativité

Simulation

Simulation

Celestial mechanics

Tide

Relativity

Modeling

Résumé

With the recent direct detections of Gravitational Waves from merging compact objects by the ground based observatories, the era of Gravitational Wave astronomy has begun. But on Earth, observations are limited to objects with masses a few dozen that of the Sun, which produce high-frequency signals. LISA is a space-borne Gravitational Wave Observatory with an arm-length of 2.5 million km, compared to the few km's of the ground-based observatories. One of LISA's scientific objectives is to study the formation and evolution of galactic binary systems: white dwarfs, but also neutron stars or stellar origin black holes. At present less than 50 ultra-compact binaries are known, of which only two have periods less than 10 minutes. These systems are relatively short-lived and electromagnetically faint, but several known verification binaries are strong enough gravitational wave sources that they will be detected within weeks by LISA. This number of sources is expected to increase significantly as a result of measurements collected by the Gaia mission and LSST. Observations with LISA will detect many ultra-compact binaries beyond the Galactic centre, in the Milky Way's halo and are unaffected by dust obscuration. Then, LISA will provide a quantitative and homogeneous study of their populations and the astrophysics governing their formation. These detections will enable us also to address a number of key questions, for example : How many ultra-compact binaries exist in the Milky Way? What is the merger rate of white dwarfs, neutron stars and stellar Black holes in the Galaxy ? In first approximation, modeling gravitational waves from these objects is quite simple. Indeed, far from the coalescence, these binary systems behave as quasi-monochromatic sources. If these waveforms are relatively simple, one must realize that LISA will detect thousands of sources, which means that the analyzed signal will be a superposition of thousands of quasi-monochromatic sources, which is, in fact, a high level challenge in terms of data analysis. A specific group in the LISA consortium is in charge to study these challenging data analysis problem, namely the LISA Data Challenge (LDC). If LDC scientist already demonstrated the feasibility of LISA data analysis (Cornish & Littenberg 2007), a major effort to develop new methods is still needed. Moreover, in some cases, tidal effects and the magnetic environment of these objects are certainly to be taken into account in the generation of gravitational waves. During the thesis, we want to focus first on the the ability of creating high-fidelity waveforms for gravitational wave sources. Our objective will be to relax the monochromatic approximation for the waveform by taking into account in a correct way tidal and electromagnetic interactions in these systems. Indeed recent studies have demonstrated that both interactions should be taken into account in spiralling binaries (Fuller & Lai 2012; Bourgoin et al., 2021). In particular, the effects of the dynamical tide that is constituted by tidal waves (they can be gravity, inertial or Alfven waves or a combination of them) excited in one of the compact object by its companion should be quantified (McNeill & al. 2019). However, no comprehensive study has been conducted up today to obtain a detailed and global understanding of these phenomena. Moreover, with these effects taken into account, no model of gravitational wave generation exists. This will be the first objective of the thesis. The second objective of the PhD thesis is to develop a well-understood signal simulator of these new waveforms for the LISA mission in order to be able to extract source parameters from the simulated signals. In other words, this part of the thesis will be dedicated to the development of a simulation tool, which will take place in the context of the LDC group of the LISA consortium. References : Bourgoin, Le Poncin-Lafitte, Mathis and Angonin. Dipolar magnetic fields in binaries and gravitational waves. Submitted to physical review D, 2021 Cornish and Littenberg. Tests of bayesian model selection techniques for gravitational wave astronomy. Phys. Rev. D, 76, 083006, 2007. Fuller and Lai. Dynamical tides in compact white dwarf binaries : tidal synchronization and dissipation. Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, 421, 426–445, 03, 2012. McNeill, Mardling and Müller. Gravitational waves from dynamical tides in white-dwarf binaries. Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, 491(2) :3000–3012, 11, 2019.

LISA est un observatoire spatial d'ondes gravitationnelles dont le bras a une longueur de 2,5 millions de km, contre quelques km pour les observatoires terrestres. Un des objectifs scientifiques de LISA est d'étudier la formation et l'évolution des systèmes binaires galactiques : naines blanches, mais aussi étoiles à neutrons ou trous noirs d'origine stellaire. Actuellement, moins de 50 binaires ultra-compactes sont connues, dont seulement deux ont des périodes inférieures à 10 minutes. Ces systèmes sont relativement éphémères et électromagnétiquement faibles, mais plusieurs binaires de vérification connues sont des sources d'ondes gravitationnelles suffisamment fortes pour être détectées en quelques semaines par LISA. On s'attend à ce que ce nombre de sources augmente considérablement grâce aux mesures recueillies par la mission Gaia et LSST. Les observations avec LISA permettront de détecter de nombreuses binaires ultra-compactes au-delà du centre galactique, dans le halo de la Voie lactée, et qui ne sont pas affectées par l'obscurcissement par la poussière. LISA fournira alors une étude quantitative et homogène de leurs populations et de l'astrophysique régissant leur formation. Ces détections nous permettront également d'aborder un certain nombre de questions clés, par exemple : Combien de binaires ultra-compactes existent dans la Voie lactée ? Quel est le taux de fusion des naines blanches, des étoiles à neutrons et des trous noirs stellaires dans la Galaxie ? En première approximation, la modélisation des ondes gravitationnelles provenant de ces objets est assez simple. En effet, loin de la coalescence, ces systèmes binaires se comportent comme des sources quasi-monochromatiques. Si ces formes d'ondes sont relativement simples, il faut savoir que LISA détectera des milliers de sources, ce qui signifie que le signal analysé sera une superposition de milliers de sources quasi-monochromatiques, ce qui constitue, de fait, un défi de haut niveau en termes d'analyse de données. Un groupe spécifique du consortium LISA est chargé d'étudier ces problèmes d'analyse de données, à savoir le LISA Data Challenge (LDC). Si les scientifiques du LDC ont déjà démontré la faisabilité de l'analyse des données LISA (Cornish & Littenberg 2007), un effort important pour développer de nouvelles méthodes est encore nécessaire. De plus, dans certains cas, les effets de marée et l'environnement magnétique de ces objets sont certainement à prendre en compte dans la génération des ondes gravitationnelles. Au cours de cette thèse, nous souhaitons nous concentrer tout d'abord sur la capacité de créer des formes d'ondes de haute précision pour les sources d'ondes gravitationnelles. Notre objectif sera de relaxer l'approximation monochromatique pour la forme d'onde en prenant en compte de manière correcte les interactions de marées et électromagnétiques dans ces systèmes. En effet, des études récentes ont démontré que ces deux interactions doivent être prises en compte dans les binaires en spirale (Fuller & Lai 2012 ; Bourgoin et al., 2021). En particulier, les effets de la marée dynamique qui est constituée par les ondes de marée (il peut s'agir d'ondes de gravité, d'inertie ou d'Alfven ou d'une combinaison de celles-ci) excitées dans l'un des objets compacts par son compagnon devraient être quantifiés (McNeill & al. 2019). Cependant, aucune étude complète n'a été menée jusqu'à aujourd'hui pour obtenir une compréhension détaillée et globale de ces phénomènes. De plus, avec la prise en compte de ces effets, aucun modèle de génération d'ondes gravitationnelles n'existe. Ceci sera le premier objectif de la thèse. Le second objectif de la thèse est de développer un simulateur de signaux bien compris de ces nouvelles formes d'ondes pour la mission LISA afin de pouvoir extraire les paramètres de la source à partir des signaux simulés. En d'autres termes, cette partie de la thèse sera consacrée au développement d'un outil de simulation, qui se déroulera dans le cadre du groupe LDC du consortium LISA.