Suivi des alertes d'ondes gravitationnelles de LIGO/Virgo par le réseau GRANDMA

Follow-up of LIGO/Virgo gravitational wave alerts by the GRANDMA network

• Auteur / Autrice : Thomas Hussenot-desenonges
• Direction : Patrice Hello
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Science des Astroparticules et Cosmologie
• Date : Inscription en doctorat le 01/10/2022
• Etablissement(s) : université Paris-Saclay
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Particules, Hadrons, Énergie et Noyau : Instrumentation, Imagerie, Cosmos et Simulat
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de Physique des deux Infinis Irène Joliot-Curie
• Partenaire(s) de recherche : Référent : Faculté des sciences d'Orsay

Mots clés

Mots clés libres

Astronomie multi-messager

Kilonova

Ondes Gravitationnelles

Astronomie des phénomènes transitoires

Multi-messenger Astronomy

Kilonova

Gravitational Waves

Time-domain astronomy

Résumé

La collaboration GRANDMA (créée à l'IJCLAB) est un réseau de plus de 25 télescopes couvrant la majorité des fuseaux horaires et les deux hémisphères. L'objectif principal de GRANDMA est de suivre les alertes d'ondes gravitationnelles fournies par LIGO et Virgo. La prochaine run LIGO-Virgo (O4) débutera en décembre 2022, en parallèle avec cette thèse. Comme lors des campagnes précédentes, LIGO-Virgo fournira des alertes à faible latence en cas de candidats ondes gravitationnelles afin que les télescopes optiques puissent suivre dans les plus brefs délais les candidats les plus intéressants (par exemple, les coalescences de systèmes binaires avec au moins une étoile à neutrons). L'objectif est d'abord d'identifier la contrepartie optique et sa galaxie hôte et ensuite de la caractériser par des méthodes photométriques (obtention des courbes de lumière des kilonovae par exemple) ou spectroscopiques. GRANDMA a démontré [1] lors du précédent run LIGO-Virgo O3 que le réseau était capable de suivre la plupart des alertes avec une très bonne cadence (moins de 90 minutes de latence pour 50% des alertes avec un exemple avec à peine 15 minutes). Ceci est particulièrement crucial pour les observations de kilonovae dont le signal s'évanouit très rapidement. En effet, capturer les tout premiers points des courbes de lumière kilonova est important pour extraire des observations les informations physiques les plus complètes et contraindre les modèles. L'estimation de la masse des éjectas peut contraindre l'équation d'état des étoiles à neutrons du système binaire. L'estimation de la fraction d'éléments lourds (tels que les lanthanides) produite par le r-process peut également être dérivée des courbes de lumière ainsi que des spectres. Un pipeline de photométrie dédié (MUPHOTEN [2]) a été développé chez IJCLAB pour la collaboration GRANDMA. Le pipeline est capable d'estimer le bruit de fond de l'image, d'effectuer la soustraction d'une image de référence s'il existe une galaxie hôte cataloguée, d'extraire la magnitude du signal transitoire détecté. Des critères supplémentaires de veto peuvent être utilisés pour estimer la qualité des images et les rejeter si nécessaire. Ce type de fonctionnalité est pertinent lorsque de nombreuses images provenant de différents sites d'observation et avec des conditions de ciel variées (couvertures nuageuses, pollution lumineuse) doivent être traitées le plus rapidement possible. Si aucun signal transitoire ne peut être identifié de manière fiable comme étant la contrepartie d'une onde gravitationnelle, le pipeline peut établir les magnitudes limites (sensibilité) atteintes par tous les télescopes impliqués dans le suivi. Dans ce cas, nous pouvons déduire des contraintes pour des paramètres importants tels que la masse maximum des éjectas. Dans le cadre de cette campagne, le doctorant participe au suivi GRANDMA d'O4. LIGO/Virgo s'attendent en moyenne à ~ 1 alerte par jour. Pourront alors se poser des questions d'optimisation/priorisation du réseau de télescopes en cas d'alertes multiples (coïncidentes). En cas de coalescence de binaire d'étoiles à neutrons (comme GW170817) ou d'une fusion étoile à neutrons-trou noir, systèmes pour lesquels des contreparties optiques sont attendues, le premier objectif est de rechercher la contrepartie. Si une telle contrepartie est détectée, alors le but est de la caractériser : identification de la galaxie hôte, identification de l'éventuelle kilonova, construction des courbes de lumière de la kilonova, observations spectroscopiques. Si aucune contrepartie ne peut être identifiée alors nous fournissons des contraintes sur les flux optiques, à partir de l'estimation des upperlimits des images prises par les télescopes. L'étape suivante est l'interprétation de toutes les données collectées (avec ou sans contrepartie) et l'estimation/contrainte des paramètres physiques tels que la masse des éjectas. Le dernier objectif consiste à contribuer à contraindre les modèles, notamment concernant l'équation d'état de la matière nucléaire dans les étoiles à neutrons. Cette partie phénoménologie sera réalisée au sein d'un groupe de travail impliquant des théoriciens spécialistes de la physique des étoiles à neutrons [3]. [1] GRANDMA observations of advanced LIGO's and advanced Virgo's third observational campaign, S. Antier et al. MNRAS 497, 5518 (2020). https://arxiv.org/abs/2004.04277 [2] P.-A. Duverne, PhD thesis, IJCLAB. [3] J. Margueron et al: BNICE, Binary neutron star mergers: nuclear inputs, machine learning and observations, proposal to ANR (2021).

The GRANDMA network (created at IJCLAB) embeds more than 25 telescopes covering grossly all time zones and both hemispheres. The primary goal of GRANDMA is to follow-up on Gravitational Waves alerts provided by LIGO and Virgo. The next LIGO-Virgo run (O4) will start in December 2022 so in perfect timing with this thesis project. As during previous runs, LIGO-Virgo will provide low latency alerts in case of gravitational waves candidates so that optical telescopes can rapidly follow-up on the most interesting candidates (e.g. mergers with at least a neutron star). The goal is first to identify the optical counterpart and the host galaxy and second to characterize it by photometric methods (obtaining the lightcurves of kilonovae for instance) or spectroscopic ones. GRANDMA has demonstrated [1] during the previous LIGO-Virgo O3 run that the network was able to follow-up most of the alerts with a very good latency (less than 90 minutes latency for 50% of the alerts with 15 minutes record). This is particularly crucial for observations of kilonovae which are expected to fade very rapidly. For instance, catching the very first points of kilonova lightcurves is important for extracting the most of physics from the observations and constraining the models. Estimation of the mass of the ejecta can constrain the equation of state of the neutron star(s) of the initial system. Estimation of the fraction of heavy elements (such as lanthanides) produced by the r-process can also be derived from light curves as well as from spectra. A dedicated photometry pipeline (MUPHOTEN [2]) has been built at IJCLAB in the GRANDMA framework. The pipeline is able to estimate the image background, perform the substraction of a reference image in case there is a host galaxy, extract the magnitude of the detected transient. Additional features such as vetoes can be used to estimate the quality of the images and reject them if needed. This kind of feature is welcome when many images coming from different observation sites and with various sky conditions (e.g. more or less cloudy nights, light pollution ) are to be treated as fast as possible. If no transient can reliably be identified as the gravitational wave counterpart, the pipeline can establish the limit magnitudes (sensitivity) reached by all the telescopes involved in the follow-up. Starting from this, we can derive upper-limits for important parameters such as the ejecta mass. In this context, the PhD student will participate to the GRANDMA follow-up of O4. LIGO/Virgo expect in average ~ 1 alert per day. In particular, questions about optimization/prioritization of the telescope network in case of multiple (coincident) alerts will arise. In case of a close binary neutron star merger (like GW170817) or neutron star-black hole merger, systems for which optical counterparts are expected, the first goal is to search for the counterpart. If such a counterpart is detected, then the goal is to characterize it: identification of the host galaxy, identification of the possible kilonova, building of the kilonova lightcurves, obtention of spectra If no counterpart can be identified then we provide upper limits on optical fluxes through the estimation of limit magnitudes of images taken by the telescopes. The next step is the interpretation of all collected data (with or without a counterpart) and the estimation or upper-limits on physical parameters such as the mass of the ejecta. The final step is to help constraining the models, in particular concerning the equation of state of nuclear matter in neutron stars. This phenomenology part will be done within a working group involving theoreticians specialists of neutron star physics [3]. . [1] GRANDMA observations of advanced LIGO's and advanced Virgo's third observational campaign, S. Antier et al. MNRAS 497, 5518 (2020). https://arxiv.org/abs/2004.04277 [2] P.-A. Duverne, PhD thesis, IJCLAB. [3] J. Margueron et al: BNICE, Binary neutron star mergers: nuclear inputs, machine learning and observations, proposal to ANR (2021).