Les contreparties électromagnétiques des événements d’ondes gravitationnelles détectables avec l’interféromètre spatial LISA

Soutenance de thèse de Vincent Foustoul (Salle de Conférence)

Résumé de la thèse :

L’une des questions actuellement en suspens en astrophysique concerne la formation et l’évolution des trous noirs supermassifs (SMBH). Ces trous noirs, dont la masse est comprise entre 100 000 et 10 000 000 000 M⊙, jouent un rôle majeur dans l’Univers, car ils se trouvent au centre de la plupart des galaxies, même à un redshift très élevé (z>8). Bien qu’il n’existe actuellement aucun modèle globalement
accepté pour expliquer la formation des SMBH, on pense qu’ils se sont formés à partir de graines de trous noirs massifs d’une masse comprise entre 100 et 100 000 M⊙, d’une accrétion super-Eddington, de fusions répétées ou d’une combinaison de ces processus. Les fusions de trous noirs de 100 à 100 000 M⊙ joueraient un rôle clé dans la formation des SMBH. Ces trous noirs binaires massifs (MBHB) se formeraient naturellement au cours de l’évolution des galaxies. En effet, lorsque deux galaxies fusionnent, leurs trous noirs centraux s’enfoncent vers le centre de masse de la galaxie résultante, créant finalement un MBHB. Le premier observatoire spatial d’ondes gravitationnelles (GW), LISA, dont
le lancement est prévu au cours de la prochaine décennie, observera la signature GW de ces MBHB, responsables de la formation des SMBH observés. Cependant, il est possible, avant LISA, de rechercher des candidats MBHB à l’aide des relevés électromagnétiques actuels et archivés. En effet, le spiralement des MBHB devrait présenter une variabilité détectable pendant l’orbite des deux trous noirs. L’objectif de ma thèse était de rechercher des candidats MBHB en recherchant une variabilité connue dans les observations électromagnétiques. Dans cette étude, je m’intéresse principalement à l’émission émise par les noyaux actifs de galaxie (AGN), qui sont des trous noirs massifs accrétant au centre des galaxies, afin de trouver des candidats MBHB. Cependant, étudier la variabilité des AGN afin de trouver une signature périodique est difficile puisque le processus d’accrétion complexe et turbulent génère une modulation stochastique. A cette fin, j’ai utilisé les observations électromagnétiques dans deux domaines de longueur d’ondes, l’optique et les X, pour rechercher des périodicités connues dans l’émission de
sources coïncidant avec le centre de galaxies. Tout d’abord, j’ai étudié la courbe de lumière optique de sources variable dans le centre de galaxies en utilisant deux relevés optiques, le Catalina Real-Time Transient Survey (CRTS) et le Zwicky Transient Facility (ZTF). J’ai couplé les observations effectuées par ces deux relevés optique et procédé à une recherche de modulation sinusoïdale connue dans la courbe de lumière combinée de ces sources. Durant ce travail, j’ai pu proposer un échantillon de 36 candidats MBHB. De plus, un des candidats fut spécifiquement observé par deux télescopes X, XMM-Newton et NuSTAR. L’étude de l’émission X de ce candidat a montré des signes additionnels de la présence d’un MBHB. Enfin, afin de trouver des candidats MBHB approchant la fusion, j’ai recherché des modulations périodiques dans les observations X fait par le télescope XMM-Newton. Grâce à cette recherche dans le domaine X, j’ai pu proposer 441 candidats MBHB, 12 d’entre eux avec un haut degré de significavité, au dessus de l’intervalle de confiance à 5σ, et qui pourraient fusionner durant le temps de fonctionnement de LISA.

Composition du jury de thèse :

• Delphine Porquet, LAM, Rapporteuse
• Yohan Dubois, IAP, Rapporteur
• Marta Volonteri, IAP, Examinatrice
• Thierry Contini, IRAP, Examinateur
• Matteo Bachetti, Cagliari Astronomical Observatory, Examinateur
• Natalie Webb, IRAP, Directrice de Thèse