Simulations et analyse des données associées pour une configuration LISA réaliste

Gravitational wave (GW) astronomy has provided a new window to investigate our Universe. In the effort to broaden the frequency band of GW observations, the Laser Interferometer Space Antenna (LISA) will be the first-ever space-based GW detector, aiming at detecting the GW signals from various astrophysical and cosmological sources in the band from 0.02 mHz to 1 Hz. LISA was chosen to be one of the large missions of the European Space Agency and it is one of the most complex space missions ever. It will consist of three spacecraft, separated by about 2.5 million kilometers, using laser interferometry to monitor the variation of the spacetime due to the passing GWs. For the success of the mission, we need to develop a simulator, associated data processing pipelines and robust data analysis methods to study the performance of the LISA instrument and the feasibility of extracting the information from various GW sources from the measured data. The first goal of this thesis is to improve the current LISA simulator, namely LISANode, for simulating more realistic instrumental configurations. In particular, we have implemented new features in the simulator, related to instrumental noises contributing to the interferometric measurements with some options for correlation and non-stationarity. Another contribution to LISANode concerns the dynamics of the instrument. The reference points for measuring the proper distance in spacetime, which contains the information of passing GWs, are the test-masses. The Drag-Free Attitude Control System (DFACS) will allow the test-masses to follow their geodesics along the sensitive axis of the interferometric measurement, while maintaining the positions and attitudes of the test-masses (in other directions) and spacecraft to keep them rigid to each other. The implementation and related study made during this thesis are on the realistic motion of the Moving Optical Sub-Assembly (MOSA), which hosts the test-mass in the spacecraft.A study has been conducted about noise propagation through the instrument and the Time-Delay Interferometry (TDI), which is the main algorithm used to suppress the dominant noise sources. We derived the analytical models for the propagation of different noises, in the transfer functions for the power and cross-power spectral densities. These models have been validated with data generated with LISANode. The study of the noise propagation through TDI is also applied on experimental LISA-like data, such as LISA-On-Table.The second goal of the thesis is to examine the data analysis method searching for GW signals. In particular, we focus on the Stochastic Gravitational Wave Backgrounds (SGWBs) that could be detected by LISA, either of cosmological origin or of astrophysical origin. The signal reconstruction from experimental data is challenging because of the possible confusion between the SGWBs and the instrumental noise. In this work, we use the SGWBinner code to study the simultaneous reconstruction of a SGWB signal and the instrumental noise. Using the adapted instrumental noise model which we infer from the study of the LISA instrument and from the noise propagation through TDI, we improve the signal reconstruction for realistic data generated either with LISANode or with a data generation tool dedicated for SGWBs, SGWB_data.L’astronomie des ondes gravitationnelles (OG) a ouvert une fenêtre réaliste et prometteuse pour étudier notre Univers. Afin d’élargir la bande des fréquences d’observation des ondes gravitationnelles, l’antenne spatiale à interféromètre laser (LISA) a été conçue pour être letout premier détecteur spatial d’ondes gravitationnelles, visant à détecter les signaux d’ondes gravitationnelles provenant de diverses sources astrophysiques et cosmologiques dans la bande allant de 0,02 mHz à 1 Hz. LISA sera composé de trois vaisseaux spatiaux, séparés par environ 2,5 millions de kilomètres, qui utiliseront l’interférométrie laser pour surveiller la variation de l’espace-temps due au passage des ondes gravitationnelles. Le développement du simulateur LISA, du pipeline de traitement de données associé et du pipeline d’analyse des données est essentiel pour étudier les performances de l’instrument LISA et la faisabilité de l’extraction de différentes sources d’OG à partir des données de mesure.Le premier objectif de cette thèse est de développer le simulateur LISA actuel, à savoir LISANode, pour une configuration instrumentale plus réaliste. En particulier, nous avons implémenté de nouvelles fonctionnalités dans le simulateur liées aux bruits instrumentaux contribuant aux mesures interférométriques avec quelques options pour la corrélation et la non-stationnarité. En outre, une étude sur la propagation du bruit à travers la conception de l’instrument et l’interférométrie à retardement (TDI), qui est le principal algorithme pour supprimer le bruit de fréquence laser dominant, a été menée pour vérifier les performances de la simulation instrumentale. Il s’avère que les modèles analytiques pour la propagation TDI de différents bruits sont validés avec les densités spectrales de puissance calculées à partir des données simulées par LISANode. L’étude de la propagation du bruit est également utile pour tester lesperformances de certaines données expérimentales de type LISA, telles que LISA-On-Table. L’une des technologies clés pour le succès de la mission LISA est le système de contrôle d’attitude sans traînée (DFACS). Il permettra aux test-masses, qui jouent le rôle de point de référence pour la mesure de la distance propre dans l’espace-temps, de suivre leurs géodésiques le long de l’axe sensible à la mesure interférométrique tout en maintenant les positions et les attitudes des test-masses (dans d’autres directions) et du vaisseau spatial pour qu’ils restent rigides les uns par rapport aux autres. Une partie de cette thèse contribue à l’implémentation de la dynamique de LISA dans LISANode, en particulier pour le mouvement plus réaliste du Moving Optical Sub-Assembly (MOSA), qui contient la masse test, dans le vaisseau spatial. Nous montrons que l’impact du mouvement du MOSA peut avoir des effets sur la performancedu DFACS.Le deuxième objectif de la thèse est d’examiner la méthode d’analyse des données pour la recherche des signaux OG. En particulier, nous nous concentrons sur les fonds stochastiques d’ondes gravitationnelles (SGWBs) qui pourraient être détectés par LISA, qu’il s’agisse desources cosmologiques ou astrophysiques. La reconstruction du signal des fonds stochastiques d’ondes gravitationnelles à partir de données expérimentales est difficile en raison des diverses composantes qui peuvent contribuer au signal, et des bruits instrumentaux, qui peuvent être confondus avec le signal même. Dans notre travail, nous utilisons l’outil SGWBinner pour étudier la reconstruction simultanée du signal SGWB et du bruit instrumental. Avec le modèle de bruit instrumental adapté que nous avons developpé avec de l’étude de l’instrument LISA et de la propagation du bruit à travers TDI, nous pouvons obtenir une meilleure reconstruction du signal en utilisant les données simulées plus réalistes de LISANode et d’un autre outil de génération de données, SGWB_data