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Theses Year : 2021

Searches for long-duration gravitational wave signals in Advanced Virgo and Advanced LIGO

Recherche de signaux d’ondes gravitationnelles transitoires de longue durée avec les détecteurs advanced Virgo et advanced LIGO

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Abstract

A new astronomy with gravitational waves was born in 2015 with the detection of the first stellar mass black hole merger. Since then, about 50 black hole and neutron star mergers have been observed by the Advanced LIGO and Advanced Virgo detectors during three observation periods. These detections allow to study the populations of compact objects, their mass distribution, and the scenarios of binary system formation. They also allow to study the nature of nuclear matter in extreme environments, the physics of relativistic jets and accretion phenomena, to measure the Hubble constant in an independent way, and to test possible deviations from the theory of general relativity. These observations, now routine, are of major importance and will continue to advance our understanding of the universe during the next observing campaigns. But discovering new astrophysical or cosmological sources of gravitational waves is one of the major objectives of the community and requires additional resources. It is on this subject that this thesis focuses.More precisely, the work summarized in this thesis concerns the search for long duration gravitational wave signals in the Advanced Virgo and Advanced LIGO detectors, i.e. transient signals whose duration is between about 5 and 1000 seconds.The astrophysical processes that can emit this type of gravitational waves are varied, but still poorly modeled. They include potential magneto-hydrodynamic instabilities in newly formed neutron stars, which can make them asymmetric and thus emit gravitational waves, fragmentation processes in accretion disks around black holes, or giant flares that occur in some isolated magnetars, associated with soft gamma-ray bursts. They also include signals from binary systems of rather light black holes in eccentric orbits.Unlike mergers of compact objects, neutron stars and black holes, the waveform of the signal expected here is not sufficiently well modeled to allow the use of optimal signal processing techniques, such as matched filtering. Detection methods therefore rely on algorithms that make few or no assumption about the nature of the signal sought, and are therefore less sensitive.In this thesis, I present a new data analysis pipeline that I have developed to search for unmodeled signals in Advanced Virgo and Advanced LIGO interferometric detectors. This program is based on an already proven method to search signals from a specific point in the sky, and is optimized for searches over the whole sky during an entire observing run. It implements a hierarchical data selection method to reduce the computational time required for analysis, and relies on the correlation of data between multiple detectors to reject artifacts of instrumental and environmental origin.I use this pipeline to search for signals in data from the Advanced Virgo and Advanced LIGO O2 and O3 observing campaigns, and obtain results that do not highlight new sources despite slightly better sensitivity for various signal types. I also show that the computational time was significantly reduced.Finally, I describe the search for gravitational wave counterparts possibly emitted by three giant magnetar flares that seem to constitute a new class of gamma-ray bursts, and show that if such an event were to occur in the galaxy, it would be possible to observe gravitational wave emission if it is at least 1\% as energetic as the electromagnetic emission with the current detectors at their final sensitivity.
Une nouvelle astronomie avec les ondes gravitationnelles est née en 2015 avec la détection de la première fusion de trous noirs de masse stellaire. Depuis, une cinquantaine de fusions de trous noirs et d’étoiles à neutrons ont été observées par les détecteurs Advanced LIGO et Advanced Virgo. Ces détections permettent d’étudier les populations d’objets compacts, de comprendre la distribution de leur masse, et de contraindre les scenarios de formation de système binaire. Elles permettent également d’étudier la nature de la matière nucléaire dans des environnements extrêmes, ou encore la physique des jets relativistes et des phénomènes d’accrétion, ou bien de tester la validité de la relativité générale. Ces observations, désormais routinières, sont d’une importance majeure et vont continuer à faire progresser notre compréhension de l’univers lors des prochaines campagnes d’observations. Mais découvrir de nouvelles sources astrophysiques ou d’origine cosmologiques d’ondes gravitationnelles fait partie des objectifs majeurs de la communauté et nécessite des moyens supplémentaires. C’est sur ce sujet que porte cette thèse.Plus précisément, les travaux résumés dans cette thèse portent sur la recherche de signaux d'ondes gravitationnelles de longue durée dans les détecteurs Advanced Virgo et Advanced LIGO, c'est-à-dire des signaux transitoires dont la durée se situe entre environ 5 et 1000 secondes.Les processus astrophysiques pouvant émettre ce type d'ondes gravitationnelles sont variés, mais encore mal modélisés. Ils incluent de potentielles instabilités magnéto-hydrodynamiques dans les étoiles à neutrons nouvellement formées, qui peuvent rendre ces dernières asymétriques et en faire des émettrices d'ondes gravitationnelles, des processus de fragmentation dans les disques d'accrétion autour des trous noirs, ou bien les éruptions géantes qui surviennent dans certains magnétars isolés, associés aux sursauts gamma mous. Ils incluent aussi les signaux de systèmes binaires de trous noirs légers sur des orbites excentriques.A la différence des fusions d'objets compacts, étoiles à neutrons et trous noirs, la forme d'onde du signal attendu ici n'est pas suffisamment bien modélisée pour permettre l'utilisation de techniques optimales de traitement du signal, comme le filtrage adapté. Les méthodes de détections reposent donc sur des algorithmes qui ne font pas ou peu d'hypothèse sur la nature du signal cherché, et qui sont par conséquent moins sensibles.Je présente une nouvelle chaîne d'analyse de données que j'ai développée pour rechercher des signaux non modélisés dans les détecteurs de type Advanced Virgo et Advanced LIGO. Ce programme se base sur une méthode déjà éprouvée pour la recherche de signaux en provenance d'un point précis du ciel, et est optimisé pour des recherches sur l'ensemble du ciel sur toute la durée d'une session d'observation. Il implémente une méthode hiérarchique de sélection des données pour réduire le temps de calcul, et se base sur la corrélation des données entre plusieurs détecteurs pour rejeter les artefacts d'origine instrumentale et environnementale.J'utilise cette chaîne d'analyse pour rechercher des signaux dans les données des campagnes d'observation O2 et O3 d'Advanced Virgo et Advanced LIGO, et j’obtiens des résultats qui ne mettent pas en évidence de nouvelles sources malgré une sensibilité légèrement meilleure pour des types de signaux variés. Je montre aussi que le temps de calcul a été considérablement réduit.Enfin, je décris la recherche de contreparties en onde gravitationnelles éventuellement émises par trois éruptions géantes de magnétars qui semblent constituer une nouvelle catégorie de sursaut gamma, et démontre que si un évènement de ce type venait à se produire dans la galaxie, il serait possible de d’observer l’émission d'ondes gravitationnelles si celle-ci est au moins 1\% aussi énergétique que l’émission électromagnétique avec les détecteurs actuelles à leur sensibilité finale.
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Origin : Version validated by the jury (STAR)

Dates and versions

tel-03416102 , version 1 (05-11-2021)

Identifiers

  • HAL Id : tel-03416102 , version 1

Cite

Adrian Macquet. Searches for long-duration gravitational wave signals in Advanced Virgo and Advanced LIGO. Astrophysics [astro-ph]. Université Côte d'Azur, 2021. English. ⟨NNT : 2021COAZ4072⟩. ⟨tel-03416102⟩
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