Simulations and associated Data Analysis for realistic LISA configuration
Description
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 space-time 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 space-time, 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 Stochastic Gravitational Wave Background (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. (author)
Abstract (French)
L'astronomie des ondes gravitationnelles (OG) a ouvert une fenetre realiste et prometteuse pour etudier notre Univers. Afin d'elargir la bande des frequences d'observation des ondes gravitationnelles, l'antenne spatiale a interferometre laser (LISA) a ete concue pour etre le tout premier detecteur spatial d'ondes gravitationnelles, visant a detecter les signaux d'ondes gravitationnelles provenant de diverses sources astrophysiques et cosmologiques dans la bande allant de 0,02 mHz a 1 Hz. LISA sera compose de trois vaisseaux spatiaux, separes par environ 2,5 millions de kilometres, qui utiliseront l'interferometrie laser pour surveiller la variation de l'espace-temps due au passage des ondes gravitationnelles. Le developpement du simulateur LISA, du pipeline de traitement de donnees associe et du pipeline d'analyse des donnees est essentiel pour etudier les performances de l'instrument LISA et la faisabilite de l'extraction de differentes sources d'OG a partir des donnees de mesure. Le premier objectif de cette these est de developper le simulateur LISA actuel, a savoir LISANode, pour une configuration instrumentale plus realiste. En particulier, nous avons implemente de nouvelles fonctionnalites dans le simulateur liees aux bruits instrumentaux contribuant aux mesures interferometriques avec quelques options pour la correlation et la non-stationnarite. En outre, une etude sur la propagation du bruit a travers la conception de l'instrument et l'interferometrie a retardement (TDI), qui est le principal algorithme pour supprimer le bruit de frequence laser dominant, a ete menee pour verifier les performances de la simulation instrumentale. Il s'avere que les modeles analytiques pour la propagation TDI de differents bruits sont valides avec les densites spectrales de puissance calculees a partir des donnees simulees par LISANode. L'etude de la propagation du bruit est egalement utile pour tester les performances de certaines donnees experimentales de type LISA, telles que LISA-On-Table. L'une des technologies cles pour le succes de la mission LISA est le systeme de controle d'attitude sans trainee (DFACS). Il permettra aux test-masses, qui jouent le role de point de reference pour la mesure de la distance propre dans l'espace-temps, de suivre leurs geodesiques le long de l'axe sensible a la mesure interferometrique 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 these contribue a l'implementation de la dynamique de LISA dans LISANode, en particulier pour le mouvement plus realiste 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 performance du DFACS. Le deuxieme objectif de la these est d'examiner la methode d'analyse des donnees pour la recherche des signaux OG. En particulier, nous nous concentrons sur les fonds stochastiques d'ondes gravitationnelles (SGWBs) qui pourraient etre detectes par LISA, qu'il s'agisse de sources cosmologiques ou astrophysiques. La reconstruction du signal des fonds stochastiques d'ondes gravitationnelles a partir de donnees experimentales est difficile en raison des diverses composantes qui peuvent contribuer au signal, et des bruits instrumentaux, qui peuvent etre confondus avec le signal meme. Dans notre travail, nous utilisons l'outil SGWBinner pour etudier la reconstruction simultanee du signal SGWB et du bruit instrumental. Avec le modele de bruit instrumental adapte que nous avons developpe avec de l'etude de l'instrument LISA et de la propagation du bruit a travers TDI, nous pouvons obtenir une meilleure reconstruction du signal en utilisant les donnees simulees plus realistes de LISANode et d'un autre outil de generation de donnees, SGWB-data. (auteur)
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Additional details
Additional titles
- Original title (French)
- Simulations et analyse des donnees associees pour une configuration realiste de LISA
Publishing Information
- Imprint Pagination
- 225 p.
- Report number
- FRNC-TH--14996
INIS
- Country of Publication
- France
- Country of Input or Organization
- France
- INIS RN
- 54115699
- Subject category
- S46: INSTRUMENTATION RELATED TO NUCLEAR SCIENCE AND TECHNOLOGY; S79: ASTROPHYSICS, COSMOLOGY AND ASTRONOMY;
- Resource subtype / Literary indicator
- Thesis
- Descriptors DEI
- ALGORITHMS; BACKGROUND NOISE; COMPUTERIZED SIMULATION; DATA PROCESSING; EQUATIONS OF MOTION; GEODESICS; GRAVITATIONAL WAVE DETECTORS; GRAVITATIONAL WAVES; INTERFEROMETRY; SPACE VEHICLES; SPECTRAL DENSITY; STOCHASTIC PROCESSES; TIME DELAY; TRANSFER FUNCTIONS
- Descriptors DEC
- DIFFERENTIAL EQUATIONS; EQUATIONS; FUNCTIONS; MATHEMATICAL LOGIC; MEASURING INSTRUMENTS; NOISE; PARTIAL DIFFERENTIAL EQUATIONS; PROCESSING; RADIATION DETECTORS; SIMULATION; SPECTRAL FUNCTIONS; VEHICLES
Optional Information
- Notes
- 153 refs.; Available from the INIS Liaison Officer for France, see the INIS website for current contact and E-mail addresses