Multi-Messenger astronomy, localisation of transient sources of gravitational waves and optical follow-up of gravitational wave candidates
Astronomie Multi-Messagers : de la localisation des sources transitoires d'ondes gravitationnelles au suivi optique
Résumé
Multi-messenger astronomy (MMA) aims at combining the information provided by different physical signals. MMA was launched on August, 17th 2017 via the joint detection of a gravitational wave (GW) by the LIGO and Virgo detectors and in the electromagnetic regime over the whole spectrum. This was emitted by a binary neutron stars merger, located at 40 Mpc. The gamma ray burst (GRB) was the first counterpart detected by the GBM instrument of the Fermi satellite less than two seconds after the GW alert. After 11h, the optical counterpart, the so-called kilonova, was discovered by the Swope telescope. Few weeks later, the X-ray and radio signals were discovered by the Chandra and VLA instruments respectively. This event started the GW-based MMA, and led to the creation of the GRANDMA network of telescopes. The main goals of the network are: - Dealing with the GW alerts - Optical follow-up - Candidate counterpart characterisation - Astrophysical interpretation. The GRANDMA infrastructure development involved the creation of a photometry pipeline called Muphoten, able to create homogeneous datasets, despite the instrument's heterogeneity. Muphoten was developed via the use of images produced during the follow-up of the supernova SN2018cow by various telescopes, including some GRANDMA instruments. The network was heavily involved in the optical follow-up of the GW alerts produced during the O3 observing run. GRANDMA followed 49 of the 53 alerts publicly distributed by LIGO and Virgo, however, no counterpart was discovered neither by GRANDMA nor by any other group. Despite the non-detection, the campaign demonstrated the network's ability to follow rapidly evolving optical transients. In order to prepare for the upcoming O4, two campaigns were set up. The first one consisted in the follow-up of 12 alerts produced by the ZTF survey. It allowed GRANDMA's ability to characterise and classify the observed transients. This was done based only on photometric data, which is one of the major constraints imposed by the GW optical follow-up. Moreover, Muphoten along with another independant photometry pipeline were used to produce the datasets used for the analysis. The use of two independent codes allowed us to evaluate whether one of the analyses was biased. It turned out that the results produced by Muhoten and STDpipe were compatible. The second campaign consisted in the follow-up of Swift satellite GRB alerts to find optical counterpart to the gamma emission, the so-called afterglow. The analysis is still ongoing for these observations. On the other hand, detecting electromagnetic counterpart to GW events requires that reliable information produced by the LIGO Virgo detector are rapidly distributed. In particular, on of the most important for GRANDMA is the source spatial localisation. The latter is given by the Bayestar algorithm whose accuracy has been tested. This was done with a percentile-percentile test that evaluates whether the analysis is biased. A first round of compact binary coalescence simulations allowed to identify a hard-coded parameter ξ as particularly sensitive for sky-localisation. It can lead to an overestimation of the localisation uncertainties, that would result into a oversized area to cover with the electromagnetic follow-u instruments. Additional simulations, including an end-to-end online analysis with PyCBC Live, were performed to find why ξ was necessary to implement. Based on these, it is suspected that ξ compensate or the difference between the source parameters and the simulated waveform parameters used for the localisation.
L'astronomie multi-messager combine les informations fournies via différents signaux physiques. Cette dernière a pris son essor le 17 août 2017 lors de la détection conjointe d'une onde gravitationnelle (OG) par les détecteurs LIGO et Virgo et d'émissions couvrant tout le spectre électromagnétique des rayons gamma aux ondes radio. La source identifiée est une coalescence de deux étoiles à neutrons a 40 Mpc. Le sursaut gamma est la première contrepartie observée par l'instrument GBM du satellite Fermi, moins de deux secondes après la détection de l'OG. 11h après la fusion, la contrepartie optique, appelée kilonova, est découverte par le télescope Swope. Et quelques semaines après, les signaux X et radio sont découverts par le satellite Chandra et le radiotélescope VLA respectivement. Cet événement a véritablement lancé l'astronomie multi-messager basée sur les OG. Elle a notamment eu pour conséquence la création du réseau GRANDMA dont les objectifs sont : - Gestion des alertes OG - Suivi optique - Caractérisation des candidats - Interprétation astrophysique. Le développement de l'infrastructure est notamment passé par la création de Muphoten, un code d'analyse photométrique capable de créer des données homogènes, malgré l'hétérogénéité des instruments de GRANDMA. Cette analyse a été développée grâce au suivi de la supernova SN2018cow par de nombreux instruments, incluant certains de GRANDMA. En parallèle de ce développement, GRANDMA a été particulièrement actif pendant la campagne d'acquisition de données par LIGO et Virgo O3 en suivant 49 des 53 alertes publiées. Aucune contrepartie, optique ou autre, n'a été découverte par GRANDMA ou un autre groupe. Mais la campagne a démontré le potentiel du réseau pour le suivi de transitoires optiques rapides tels que les kilonovae.En vue de poursuivre le développement du réseau, et de préparer O4, deux campagnes ont été organisées par GRANDMA. Pour la première, GRANDMA et sa branche amateur, Kilonova-Catcher, ont suivi 12 alertes produites par le relevé ZTF. Cela a permis de développer les capacités de GRANDMA à caractériser et classer des transitoires optiques via une analyse purement photométrique, ce qui est une des contraintes imposées par le suivi d'alertes OG. D'autre part, cette campagne a permis d'utiliser Muphoten ainsi qu'une autre analyse photométrique indépendante, STDpipe permettant d'évaluer la présence de biais systématiques dans l'un ou l'autre des codes et de finalement démontrer que les résultats produits étaient cohérents. Pour la seconde campagne de GRANDMA, les observateurs ont suivi les alertes du satellite Swift, détectant des sursauts gamma, afin de trouver les émissions optiques associées à l'émission gamma, appelées afterglow. L'analyse de ces observations est toujours en cours. Cependant, la découverte de contreparties électromagnétiques aux émissions d'OG nécessite l'envoi d'informations fiables dans les premières minutes suivant la détection du signal. L'une des plus cruciales pour le suivi par GRANDMA est la localisation spatiale de la source, évaluée par l'algorithme Bayestar. Afin d'évaluer la consistance des résultats produits par Bayestar, des simulations de fusion d'objets compacts ont été produites et utilisées pour faire un test pourcentage-pourcentage. Ce dernier permet d'évaluer si la reconstruction des paramètres de la source, ce qui inclut la position, est biaisée. Ceci a permis d'identifier le paramètre ξ, codé en dur dans Bayestar, comme pouvant conduire a une surestimation des incertitudes, et in fine, une plus grande aire à couvrir par les instruments de suivi électromagnétique. Des simulations additionnelles, incluant des injections de signaux analysées en ligne par PyCBC Live, ont été faites pour déterminer pourquoi ce paramètre était nécessaire à Bayestar. Celles-ci conduisent à penser que ξ permet de compenser les différences entre les paramètres de la source et ceux du modèle de forme d'onde utilisés pour localiser la source.
Origine : Version validée par le jury (STAR)