L'analyse de données dans la mission LISA

Caractérisation de systèmes binaires galactiques par ondes gravitationnelles

Exemples de sources d’ondes gravitationnelles dans le domaine de fréquences auquel LISA est sensible.
Figure extraite de "Laser Interferometer Space Antenna. A proposal in response to the ESA call for L3 mission concepts. (Lead Proposer: Prof. Dr. Karsten Danzmann)".

A la différence des observatoires au sol, sensibles à de rares signaux d’ondes gravitationnelles et soumis à un bruit de mesure dominant, un interféromètre spatial sera en permanence alimenté par un grand nombre de signaux distincts et caractérisés théoriquement à divers degrés de précision. Les estimations actuelles des quantités et types de source envisagent entre autres 60 millions de systèmes binaires galactiques émettant de manière continue, 10 à 100 signaux annuels provenant de trous noirs supermassifs, et de 10 à 1000 signaux annuels issus de systèmes binaires avec des rapports de masses très élevés.

Un des objectifs scientifiques de LISA est l’étude de la formation et de l’évolution des systèmes binaires galactiques : des naines blanches, mais aussi des étoiles à neutrons ou des trous noirs d’origine stellaires. Plusieurs systèmes binaires dits "de vérification" sont déjà identifiés comme sources d’ondes gravitationnelles détectables par LISA, et ce nombre devrait augmenter de manière significative grâce aux mesures collectées par le satellite Gaia et le télescope LSST. Loin de la coalescence, ces systèmes se comportent comme des sources quasi-monochromatiques.

LISA devrait permettre la caractérisation d’environ 25000 systèmes binaires galactiques. Les nombreux autres systèmes échappant à une détection individuelle formeront un fond stochastique, ou bruit de confusion. De plus, comme dans toute expérience, les données réelles seront soumises à un certain nombre de bruits et d’artefacts à prendre en compte pour optimiser le potentiel scientifique de la mission.

Simulation de signal temporel sans bruit instrumental sur une durée de deux ans. Ce signal contient une unique source émettant à 1 mHz, et admet une période d'un an du fait du mouvement orbital de LISA.

Analyse spectrale de la simulation d'un signal produit par une unique source émettant à 1 mHz, sans bruit instrumental. Le caractère quasi-monochromatique du signal est explicite.

Le fil conducteur des travaux menés à l'Irfu est une démonstration de la capacité scientifique et technique à traiter des données réelles de manière fiable et robuste. Les systèmes binaires galactiques constituent un excellent terrain d’essai. Ce type de signal est mesurable sur LISA, et sa forme pour un système individuel est bien connue d’un point de vue théorique.

Néanmoins, extraire l’information d’intérêt astrophysique de ces signaux requiert de résoudre différents problèmes de traitement du signal tels que :

La séparation de plusieurs sources individuelles, apparaissant comme un spectre de raies, d’un fond stochastique.
La prise en compte de déviations inattendues ("glitches") dans l’analyse de données à partir du retour d’expérience de LISA Pathfinder.
L’analyse à partir de données incomplètes, dues aux périodes d’interruption dans l’acquisition des données (maintenance, instabilités de sous-systèmes, etc.).
Le développement de méthodes d’analyse robustes vis-à-vis de bruits non gaussiens, ou non stationnaires, ou corrélés.

Simulation de signal temporel avec bruit instrumental sur une durée de deux ans. Ce signal contient une unique source émettant à 1 mHz, et admet une période d'un an du fait du mouvement orbital de LISA. Le signal cherché est couvert par le bruit instrumental.

Analyse spectrale de la simulation d'un signal produit par une unique source émettant à 1 mHz, avec bruit instrumental. Le caractère quasi-monochromatique du signal se détache nettement du bruit instrumental.

L'Irfu étudie l'impact de ces différents éléments sur l’estimation des signaux d’ondes gravitationnelles, et développe de nouvelles méthodes inspirées de problèmes analogues en traitement d’image appliqué à l’astrophysique. Ces méthodes reposent sur la modélisation parcimonieuse des signaux. Celle-ci permet d’exploiter les différences de formes ou de morphologie entre ces signaux et le bruit pour la résolution de problèmes inverses. Toutes ces activités peuvent conduire à des contraintes de dimensionnement de la mission, des outils ou méthodes de traitement des données.

#4690 - Màj : 02/12/2019

Le Département d'Électronique des Détecteurs et d'Informatique pour la Physique

Institut de recherche sur les lois fondamentales de l'Univers