Deux étoiles à neutrons en collision. Crédit : Goddard Space Flight Center/CI Lab de la NASA
Dans les années 2030, les détecteurs d’ondes gravitationnelles seront des milliers de fois plus sensibles que Advanced LIGO, Vierge et KAGRA. Le réseau d’observatoires de «troisième génération» (3G) comprendra presque certainement Cosmic Explorer (États-Unis), Einstein Telescope (UE) et pourrait inclure un observatoire de type Cosmic-Explorer de l’hémisphère sud.
Ces instruments étonnants verront chaque binaire étoile à neutrons fusion dans l’Univers, et la plupart des trous noirs binaires jusqu’à des décalages vers le rouge au-delà de 10 : des centaines de milliers, voire des millions, de signaux résolvables par an. Beaucoup de ces signaux seront extrêmement forts, avec des rapports signal/bruit de plusieurs milliers, facilitant les percées en physique fondamentale et en cosmologie.
Et c’est là qu’est un défi !
Comment extraire toutes les informations de ces signaux ? En apparence, cela semble être une tâche simple : continuez simplement à exécuter l’estimation des paramètres comme nous le faisons déjà ! Mais il s’avère que nos méthodes actuelles d’estimation des paramètres ne s’adaptent pas aussi bien lorsque les signaux sont vraiment forts et très longs dans la bande.
Pour comprendre pourquoi, nous avons imaginé un signal de fusion d’étoiles à neutrons binaires « GW370817 », qui provient d’environ 40 Mpc de la Terre – à peu près la distance de GW170817 (en supposant que les détecteurs 3G soient en ligne en 2037, nous sommes assurés d’observer un millier de neutrons binaires fusions d’étoiles le 17 août 2037 !) Un réseau de détecteurs 3G observerait GW370817 pendant 90 minutes, avec un rapport signal/bruit stupéfiant de 2500. L’analyse de ce signal est environ mille fois plus coûteuse en calculs que l’analyse d’un signal dans les détecteurs – d’après nos estimations, cela prendrait environ 1000 ans !
Ce temps d’analyse prohibitif est un frein à l’astrophysique avec des données 3G, et c’est le problème que nous résolvons dans notre article. Pour réduire le temps de calcul, nous avons développé des “modèles d’ordre réduit” de signaux d’ondes gravitationnelles qui nous permettent de déduire les propriétés binaires des étoiles à neutrons en utilisant des données fortement compressées, avec presque aucune perte de précision. Nous avons réduit le coût de calcul de l’inférence sur les données 3G par un facteur de 13 000. Avec une pincée de calcul parallèle, nous sommes en mesure d’effectuer une analyse de données en quelques heures. C’est une bonne nouvelle pour l’astrophysique à l’ère de la 3G.
Alors que les détecteurs 2030 et 3G sont dans quelques années, nos résultats et méthodes sont utiles pour un large éventail d’études théoriques et de conception, qui s’accélèrent parallèlement au développement de la technologie des détecteurs. Pour ceux qui sont assez vieux pour s’en souvenir, les premiers défis de données fictives LISA ont commencé en 2005, ce qui donne une idée de la quantité de travail exploratoire qui a lieu avant qu’un détecteur ne soit opérationnel.
Pour le moment, il y a beaucoup de questions d’astrophysique intéressantes auxquelles nous pouvons commencer à réfléchir dans le contexte des détecteurs 3G : dans quelle mesure serons-nous capables de mesurer l’équation d’état des étoiles à neutrons et la masse maximale des étoiles à neutrons ? Et qu’est-ce que cela nous apprendra sur la matière extrême ? Dans quelle mesure les spins des étoiles à neutrons peuvent-ils être mesurés et cela peut-il nous dire quelque chose sur les mécanismes de la supernova ? etc… Nos résultats et notre méthode faciliteront ce genre de travail théorique en nous permettant d’effectuer des inférences robustes sur les propriétés des étoiles à neutrons binaires dans des données fictives 3G.
Référence : « Inférence bayésienne pour ondes gravitationnelles des fusions d’étoiles à neutrons binaires dans les observatoires de troisième génération » par Rory Smith, Ssohrab Borhanian, Bangalore Sathyaprakash, Francisco Hernandez Vivanco, Scott Field, Paul Lasky, Ilya Mandel, Soichiro Morisaki, David Ottaway, Bram Slagmolen, Eric Thrane, Daniel Töyrä et Salvatore Vitale, le 20 août 2021, Lettres d’examen physique.
DOI : 10.1103/PhysRevLett.127.081102
