Developments for the observation and characterization of gravitational wave multi-messenger sources during LIGO-Virgo-KAGRA observation campaigns - TEL - Thèses en ligne
Thèse Année : 2024

Developments for the observation and characterization of gravitational wave multi-messenger sources during LIGO-Virgo-KAGRA observation campaigns

Développements pour l'observation et la caractérisation des sources multi-messagers d'ondes gravitationnelles lors des campagnes d'observation LIGO-Virgo-KAGRA

Résumé

The Advanced LIGO/Virgo observation campaigns have revealed the rich and diverse physics of binary neutron star (BNS) and binary black hole mergers. In 2017, the simultaneous discovery of GWs and electromagnetic (EM) counterparts from a BNS merger provided an exceptionally detailed view of this extreme phenomenon, yielding numerous results in both astrophysics and physics, particularly on the behavior of ultra-dense matter. However, despite enormous efforts, no new multi-messenger detections have been made since. This is due to the formidable observational challenge posed by the rapid and precise alerts of GWs, the immediate reactivity of a network of telescopes, and the online data processing required for the identification of EM counterparts.The identification of EM counterparts enables numerous high-priority scientific studies, such as constraints on the equation of state of neutron stars, the measurement of the universe's expansion rate, and the r-process nucleosynthesis of heavy elements produced during a kilonova. For a rapid follow-up of possible counterparts to these events, we must reduce the sky-localization area where the event occurs. However, the significantly different sensitivities of the detectors demonstrate how challenging gravitational-wave (GW) follow-up can be. This is the case for the fourth (ongoing) and fifth LIGO/Virgo/KAGRA (LVK) observation campaigns. Many GW signals from compact binary mergers are hidden by detector noise and can be detected if the noise is sufficiently reduced. To maximize the scientific outcome of the LVK GW detectors, such as the detectability of pre-merger signals, noise must be significantly reduced. Several factors contribute to this noise, undermining the detector's sensitivity, including environmental noise, instrumental artifacts, and some more fundamental and irreducible noises. The identification of additional sub-threshold events is therefore linked to our ability to reduce noise in the instruments. Noise and sensitivity directly influence our capacity to extract information from GW signals.To mitigate these effects, I initially developed new tools and techniques while also making several improvements to existing ones. These analysis tools include, among others, i) enhancing the capabilities of the Nuclear Multi-messenger Astronomy (NMMA), a Python library for probing nuclear physics and cosmology with multi-messenger analysis; ii) updating and configuring telescopes such as the Zwicky Transient Facility (ZTF), the Vera C. Rubin Observatory's Legacy Survey of Space and Time (LSST), and the Ultraviolet Transient Astronomy Satellite (ULTRASAT) within Gravitational-wave Electromagnetic Optimization (gwemopt), a tool for simulating detections using a telescope and event sky map information; iii) injecting a new distribution, PBD/GWTC-3, into Ligo.Skymap for "observing scenarios". This new distribution can define all populations of compact binary coalescences with a single law; iv) developing NMMA-Skyportal, a pipeline that integrates ZTF alerts, the Skyportal tool, a collaborative platform for time-domain astronomy, and NMMA to discriminate the nature of light curves in real-time.Moreover, this work provides projections for astronomers interested in data produced by GW detectors, as well as expected constraints on the universe's expansion rate based on forthcoming data. These results are useful to those analyzing GW data and those seeking EM counterparts to neutron star mergers. Finally, to address the problem of "astrophysical signals bathing" below the noise threshold, I applied the DeepClean algorithm, a one-dimensional convolutional neural network, to estimate, analyze and subtract stationary and non-stationary noises in the Virgo detector. A first for the Virgo detector. In addition to preserving the integrity of the astrophysical signal, the algorithm improves the detector's signal-to-noise ratio.
Les campagnes d'observation d'Advanced LIGO/Virgo ont révélé la physique complexe des fusions d'étoiles à neutrons binaires (BNS) et de trous noirs binaires. En 2017, la découverte simultanée des ondes gravitationnelles (OG) et des contreparties électromagnétiques (EM) d'une fusion de BNS a offert une vision détaillée de ce phénomène, avec de nombreux résultats en astrophysique, notamment sur la matière ultra-dense. Cependant, depuis lors, aucune nouvelle détection multi-messagers n'a été réalisée. Cela est dû aux défis des alertes rapides des OG, de la réactivité des télescopes et du traitement des données pour identifier les contreparties EM.L'identification des contreparties EM permet des études scientifiques majeures, comme les contraintes sur l'équation d'état des étoiles à neutrons, la mesure du taux d'expansion de l'univers et la nucléosynthèse des éléments lourds lors d'une kilonova. Pour un suivi rapide, il est essentiel de réduire la zone de localisation du ciel. Les sensibilités variées des détecteurs montrent la complexité du suivi des OG, notamment lors des campagnes LIGO/Virgo/KAGRA (LVK). De nombreux signaux d'OG issus de fusions de binaires compactes sont masqués par le bruit des détecteurs et peuvent être détectés si ce bruit est réduit. Pour maximiser les résultats scientifiques des détecteurs d'OG de LVK, il est crucial de diminuer ce bruit, causé par le bruit environnemental, les artefacts instrumentaux et des bruits plus fondamentaux et irréductibles. L'identification d'événements supplémentaires dépend de notre capacité à réduire ce bruit. Le bruit et la sensibilité influencent directement notre capacité à extraire des informations des signaux d'OG.Pour atténuer ces effets, j'ai développé de nouveaux outils et techniques, tout en améliorant plusieurs anciens. Ces outils d'analyse incluent : i) l'amélioration des capacités du Nuclear Multi-messenger Astronomy (NMMA), une bibliothèque Python pour sonder la physique nucléaire et la cosmologie par une analyse multi-messagers ; ii) la mise à jour et la configuration de télescopes comme le Zwicky Transient Facility (ZTF), le Vera C. Rubin Observatory's Legacy Survey of Space and Time (LSST) et l'Ultraviolet Transient Astronomy Satellite (ULTRASAT) au sein du Gravitational-wave Electromagnetic Optimization (gwemopt), un outil de simulation de détection de contrepartie EM, à travers un télescope et des informations sur la carte du ciel de l'événement ; iii) l'injection d'une nouvelle distribution, PBD/GWTC-3, dans Ligo.Skymap pour les scénarios d'observation, définissant toutes les populations de coalescence de binaires compacts ; iv) le développement du NMMA-Skyportal, une pipeline intégrant les alertes du ZTF, l'outil Skyportal, une plate-forme collaborative pour l'astronomie temporelle, et NMMA pour discriminer la nature des courbes de lumière en temps réel.De plus, ce travail fournit des projections aux astronomes intéressés par les données produites par les détecteurs d'OG et des contraintes attendues sur le taux d'expansion de l'univers basées sur les données à venir. Ces résultats sont utiles pour ceux qui analysent les données d'OG et recherchent des contreparties EM aux fusions d'étoiles à neutrons. Enfin, pour répondre à la problématique des "signaux astrophysiques noyés" sous le seuil du bruit, j'ai appliqué l'algorithme DeepClean, un réseau de neurones convolutif unidimensionnel, pour estimer, analyser et soustraire les bruits stationnaires et non-stationnaires dans le détecteur Virgo. Une première pour Virgo. En plus de préserver l'intégrité du signal astrophysique, l'algorithme améliore le rapport signal sur bruit du détecteur.
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Origine Version validée par le jury (STAR)

Dates et versions

tel-04796327 , version 1 (21-11-2024)

Identifiants

  • HAL Id : tel-04796327 , version 1

Citer

Ramodgwendé Weizmann Kiendrébéogo. Developments for the observation and characterization of gravitational wave multi-messenger sources during LIGO-Virgo-KAGRA observation campaigns. Astrophysics [astro-ph]. Université Côte d'Azur; Université Joseph Ki-Zerbo (Ouagadougou, Burkina Faso), 2024. English. ⟨NNT : 2024COAZ5034⟩. ⟨tel-04796327⟩
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