Simulation and Data Analysis for LISA : Instrumental Modeling, Time-Delay Interferometry, Noise-Reduction Permormance Study, and Discrimination of Transient Gravitational Signals
Simulation and Data Analysis for LISA : Modélisation instrumentale, interférométrie retardée, étude de performance de la réduction des bruits, et discrimination de signaux gravitationnels courts
par Jean-Baptiste BAYLE sous la direction de Antoine PETITEAU
Thèse de doctorat en Physique de l'Univers
ED 560 Sciences de la terre et de l'environnement et physique de l'univers, Paris

Soutenue le lundi 21 octobre 2019 à Université Paris Cité

Sujets
  • Calibrage
  • Capteurs optiques
  • Interféromètres laser
  • Interférométrie
  • LISA Pathfinder (satellite artificiel)
  • Rayonnement gravitationnel
  • Simulation par ordinateur

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Mots clés
Onde gravitationnelle, Astronomie gravitationnelle, LISA, Interférométrie retardée, TDI, Calibration, Réduction de bruit
Resumé
Laser Interferometer Space Antenna est une mission de l'Agence Spatiale Européenne visant à mesurer les ondes gravitationnelles dans le domaine millimétrique. Trois satellites en formation triangulaire autour du Soleil s'échangent des faisceaux lasers. Les variations de distances entre masses d'épreuve, dues aux ondes gravitationnelles, sont mesurées au picomètre près. Plusieurs algorithmes de réduction des bruits instrumentaux qui contaminent les mesures sont utilisés avant l'extraction des signaux gravitationnels.Afin d'évaluer la performance de ces algorithmes, nous étudions la manière dont les bruits instrumentaux apparaissent dans les mesures, ainsi que leurs résidus après calibration. Un outil de simulation numérique flexible, destiné à générer les mesures de manière réaliste, permet de valider ces résultats. En effet, LISANode propage les séries temporelles de bruit entre les satellites et sur les bancs optiques, jusqu'aux phasemètres et aux ordinateurs embarqués. Il calcule aussi la réponse aux ondes gravitationnelles. Par ailleurs, LISANode permet de générer les combinaisons Time-Delay Interferometry exemptes de bruit laser, ainsi que la calibration pour les bruits d'horloge.Malheureusement, ces bruits ne disparaissent pas totalement si l'on tient compte des imperfections instrumentales et numériques. Nous étudions en particulier l'impact de la déformation de la constellation, ainsi que du traitement des données en vol. Nous modélisons le couplage déformation-filtrage et proposons une technique permettant de réduire cet effet. En outre, nous proposons une méthode de calibration exacte des bruits d'horloge. Les simulations permettent de valider ces résultats, et confirment la possibilité de réduire les bruits dominants aux niveaux requis.Nous considérons aussi les techniques d'apprentissage automatique pour discriminer les artéfacts instrumentaux et les signaux gravitationnels courts. Une étude analytique montre un couplage différemment dans les mesures, et les premières expériences suggèrent que certains réseaux de neurones peuvent distinguer ces deux types de signaux.