Tests of general relativity and Bayesian population studies with gravitational waves from coalescing binaries. - Archive ouverte HAL Access content directly
Theses Year : 2021

Tests of general relativity and Bayesian population studies with gravitational waves from coalescing binaries.

Tests de la relativité générale et études bayesiennes de populations d'objets compacts à l'aide d'ondes gravitationnelles issues de la coalescence de binaires compactes

(1)
1

Abstract

In only six years, gravitational waves have already provided an incredible amount of information on our Universe. For instance, they have allowed us to infer for the first time the properties of the population of compact binaries and provided new tests of general relativity. They have also triggered many questions, and the future of gravitational wave astronomy promises to be very exciting. The sensitivity improvement of current detectors will increase the detection rate and our ability to extract the source parameters. Moreover, the next generation of detectors is already being planned. Among them, the space-based interferometer LISA will complement ground-based detectors and allow us to observe a yet unexplored population of compact binaries. In this thesis, we propose tools to exploit the full potential of gravitational wave observations, and assess what could be learned on astrophysics and fundamental physics from these observations, with a special focus on the LISA mission. We perform for the first time a full Bayesian analysis on simulated LISA signals of stellar-mass black holes binaries. We determine the accuracy to which the source parameters could be measured and explain the correlations between them. We also show that such observations could be used to probe low-frequency modifications in the gravitational wave phase arising due to deviations from general relativity or to environmental effects. Thus, they will help us constrain modified gravity theories and inform us on the astrophysical environment of the sources. In addition to that, we propose a phenomenological model for the gravitational wave signal of binaries made of exotic compact objects. We use it to show that next generation detectors could potentially observe such binaries throughout the observable Universe, but that their detection would be difficult with current search pipelines. On the astrophysical side, we propose a semi-analytical model for the evolution of binaries made of a black hole accreting from a white dwarf, and show that combining it with LISA observations enables the measurement of the masses of both binary components and the distance to the source. This piece of information, which is usually not accessible from gravitational wave observations of galactic binaries, would allow us to identify both components, thus LISA could be the first instrument to convincingly detect such binaries. Finally, we build a pipeline for inferring the population of massive black hole binaries from LISA observations, and discriminating between different scenarios for the formation and evolution of massive black holes. Our pipeline uses the hierarchical Bayesian framework to measure the hyperparameters controlling the population of massive black hole binaries, comparing the observed population to theoretical predictions. We find that our pipeline would allow us to correctly infer the population of massive black hole binaries, but only if the observed data set is similar enough to the predictions of the model we compare it against. We highlight important challenges to be tackled in the next few years, both on the data analysis and the astrophysical modelling side.
En à peine six ans, les ondes gravitationnelles nous ont déjà beaucoup appris sur l'Univers. Elles nous ont offert de nouveaux tests de la relativité générale, et nous ont permis d'inférer pour la première fois la population de binaires compactes dans l'Univers. Ces détections ont aussi amené leur lot de nouvelles questions, et le futur de l'astronomie gravitationnelle s'annonce prometteur. Les détecteurs actuellement en marche verront leur sensibilité s'améliorer au cours des prochaines années, augmentant ainsi le nombre de détections et la précision avec laquelle nous mesurerons les paramètres des sources. Par ailleurs, la prochaine génération de détecteurs est déjà en préparation. Parmis eux, l'interféromètre spatial LISA viendra complémenter les détecteurs terrestres et nous permettra d'observer une nouvelle population d'objets compacts. Dans cette thèse, nous développons des outils qui nous permettront d'exploiter au maximum le potentiel des futures observations d'ondes gravitationnelles, et explorons ce qu'elles pourraient nous enseigner sur l'astrophysique et la physique fondamentale, avec un focus sur LISA. Nous effectuons pour la première fois une analyse bayésienne complète sur des signaux simulés de binaires de trous noirs de masse stellaire dans LISA. Notre travail nous a menés à déterminer la précision avec laquelle les paramètres de la source pourront être mesurés et à expliquer les corrélations entre eux. Nous montrons également que de telles observations pourront être utilisées pour sonder les modifications à basse fréquence de la phase des ondes gravitationnelles dues à des écarts par rapport à la relativité générale ou à des effets environnementaux. Ainsi, elles nous permettront de contraindre les théories de gravité modifiée et nous renseigneront sur l'environnement astrophysique des sources. Par ailleurs, nous proposons un modèle phénoménologique pour le signal d'ondes gravitationnelles émis par des binaires constituées d'objets compacts exotiques. Nous l'utilisons pour montrer que les futurs détecteurs pourraient observer pratiquement toutes les binaires de ce genre dans l'Univers, mais que leur détection serait difficile avec les méthodes de recherche de signaux actuellement utilisées. En astrophysique, nous proposons un modèle semi-analytique pour l'évolution de binaires constituées d'un trou noir accrétant la matière d'une naine blanche, et nous montrons que son association avec les observations de LISA permettra de mesurer les masses des deux composants de la binaire ainsi que la distance à la source. Ces informations, qui ne sont généralement pas accessibles à partir d'observations d'ondes gravitationnelles de binaires galactiques, nous permettraient d'identifier les deux composants. Ainsi, LISA pourrait être le premier instrument à apporter la preuve de l'existence de telles binaires. Enfin, nous proposons une méthode pour inférer la population de binaires de trous noirs massifs à partir des observations de LISA, nous permettant ainsi de distinguer parmis différents scénarios pour la formation et l'évolution de trous noirs massifs. Notre méthode s'appuie sur l'analyse bayésienne hiérarchique afin de mesurer les hyperparamètres contrôlant la population de binaires de trous noirs massifs, en confrontant la population observée aux prévisions théoriques. Notre méthode permettrait de déduire correctement la population de binaires de trous noirs massifs, mais seulement si les observations sont sufisamment similaires aux prédictions du modèle auquel nous les confrontons. Nous mettons en évidence des défis importants à relever dans les prochaines années, tant du côté de l'analyse de données que du côté de la modélisation astrophysique.similaires aux prédictions du modèle auquel nous les confrontons. Nous mettons en évidence des défis importants à relever dans les prochaines années, tant du côté de l'analyse de données que du côté de la modélisation astrophysique.
Fichier principal
Vignette du fichier
va_Toubiana_Alexandre.pdf (33.02 Mo) Télécharger le fichier
Origin : Version validated by the jury (STAR)

Dates and versions

tel-03553939 , version 1 (03-02-2022)

Identifiers

  • HAL Id : tel-03553939 , version 1

Cite

Alexandre Toubiana. Tests of general relativity and Bayesian population studies with gravitational waves from coalescing binaries.. Other. Université Paris Cité, 2021. English. ⟨NNT : 2021UNIP7032⟩. ⟨tel-03553939⟩
37 View
2 Download

Share

Gmail Facebook Twitter LinkedIn More