Il existe deux types d'instruments pour observer les ondes gravitationnelles (GW) à basse fréquence : l'interféromètre spatial dans la bande des milliHertz (mHz) LISA et le Pulsar Timing Array (PTA) dans la bande des nanoHertz (nHz). Ils sont complémentaires soit en observant deux parties des mêmes sources comme pour les fonds stochastiques, soit deux parties de la même population de sources comme pour les binaires de trous noirs massifs.
LISA est un observatoire spatial GWs dont le lancement est prévu en 2035. Il se compose de trois satellites en chute libre sur une orbite héliocentrique formant un triangle équilatéral. Les satellites échangent de la lumière laser formant de multiples interféromètres permettant d'observer une pléthore de sources astrophysiques et cosmologiques de GW. Ces sources incluent des binaires de naines blanches galactiques, des inspirals à rapport de masse extrême, des binaires de trous noirs massifs et des fonds stochastiques.
PTA utilise le timing des pulsars millisecondes pour observer les GW. Les pulsars millisecondes émettent environ des centaines d'impulsions radio par seconde avec une très grande régularité. Les GW passant entre le pulsar et la Terre modifient le temps d'arrivée des impulsions. La synchronisation d'un réseau de pulsars permet de réaliser un détecteur GW à l'échelle galactique. De multiples radiotélescopes contribuent au PTA, notamment le Radiotélescope de Nançay. En juin 2023, 4 collaborations PTA ont annoncé les résultats de 20 ans de chronométrage des pulsars : une preuve solide d'un signal GWs. Le signal doit encore être caractérisé et son origine établie. Il pourrait avoir été émis par un ensemble de trous noirs supermassifs ou par des processus survenus dans l'Univers primordial. Si les deux systèmes d'observation sont différents, les méthodes d'analyse des données sont similaires. Un grand espace de paramètres doit être échantillonné pour extraire les sources qui se chevauchent et les démêler des bruits non stationnaires.
Les GW sont une nouvelle façon d'en apprendre davantage sur la physique fondamentale. Par exemple, nous pouvons tester la relativité générale avec la fusion des trous noirs supermassifs binaires et inspirals à rapport de masse extrême et tester la physique des particules au-delà du modèle standard, grâce à la détection du fond stochastique (SGWB) des transitions de phase dans l'Univers primitif. Le candidat travaillera au CEA-IRFU (Institut de Recherche sur les Lois Fondamentales de l'Univers) au sein d'une équipe transdisciplinaire menant des recherches sur les GW. Cette activité va de l'implication instrumentale dans la mission LISA aux conséquences astrophysiques ou cosmologiques de l'exploitation des signaux, en passant par le développement d'algorithmes, de simulations et d'analyses de données. L'Irfu est également impliqué dans PTA-France et International PTA. Développer des méthodes de détection des sources d'ondes gravitationnelles et détecter les conséquences physiques associées est au coeur du sujet de thèse proposé. Le candidat aura l'occasion de s'intéresser à tous les aspects de l'activité de l'équipe d'accueil et d'interagir avec chacun de ses membres. Les principaux objectifs des travaux proposés sont de développer des méthodes d'analyse de données pour LISA, en tirant parti des développements de PTA et LISA, et d'étudier la synergie entre les observations LISA et PTA pour la physique fondamentale, notamment avec les SGWB et les Trous Noirs Massifs (MBH). . Les méthodes développées peuvent également être adaptées et appliquées à des données PTA réelles. Le candidat sera membre des collaborations LISA, PTA-France, EPTA et IPTA. Il/elle interagira avec les membres du Groupement de Recherche Ondes Gravitationnelles et collaborera avec des physiciens du laboratoire Astroparticules et Cosmologie (APC). Il présentera ses résultats au sein des consortiums LISA et PTA et lors de conférences internationales.