Prospective INP: Physique Fondamentale

Contexte expérimental

La communauté scientifique française est très investie dans la recherche sur les OG, et a porté des avancées majeures sur un large spectre de sujets, allant du développement des détecteurs à l’analyse et l’interprétation des observations astrophysiques, à l’étude de l’évolution de l’univers sur ses plus grandes échelles, aux tests de la physique fondamentale et de la physique nucléaire

Autre que LIGO-Virgo-Kagra (fréquence caractéristique ~Hz), plusieurs grandes experiences sur les ondes gravitationnelles vont continuer à voir le jour, et avec les nouvelles données il y aura d'importants impacts sur la recherche dans les prochaine 10 années.

• LIGO-Virgo-Kagra va commencer son O4 run (mai 2023) puis O5, et on peut s'attendre à (bien plus) O(1) evennement par jour.
• A basses fréquences (10-9–10-7 Hz) IPTA va bientot sortir des données de 25 pulsars (si pas deja fait). Nançay Radio Telescope (NRT)
• La France est aujourd’hui un des principaux contributeurs à LISA (lancement prévu en 2035, fréquences mHz) avec une communauté nombreuse et dynamique.
• La France est aussi très impliquée dans le projet European, Einstein Telescope, futur detecteur 3G au sol (fréquences semblables à celles de LIGO-Virgo, mais avec bien meilleure sensibilité). On pourra voir les OG émisses de sources individuelles à des redshift z ≲ 100.
• Très forte implication dans Atom interferometry, 0.1 Hz- 10Hz

Il est également important de souligner l’implication française dans les aspects de prédiction et suivi des signaux multi-messagers, à la fois du point de vue observationnel et théorique. Des équipes françaises jouent le rôle de leader dans le télescope SVOM, et dans les fédérations ENGRAVE et GRANDMA. Des avancées théoriques dans l’interprétation et la caractérisation de la physique des GRBs ont été obtenues.

Toutes ces données vont avoir un impact majeur sur l'astrophysique, la cosmologie (primordiale et tardive), la cosmologie multi-messager, les théories de gravité, la formation des structures, search for physics beyond the standard model, dark matter searches etc.

Formes d'onde

• Determination of wave forms from binary systems in GR:
  • developments to higher PN, with spins and tidal effects, all needed for future detectors especially LISA. Computation of both conservative equations of motion plus effects of gravitational radiation reaction. Computation of waveforms (modes, especially the dominant quadrupole mode 22) and flux balance equations for secular evolution of the binary.
  • Inclusion of eccentricity to higher PN, unbound hyperbolic orbits etc. Relation between unbound and bound (elliptical) orbits including tail effects.
  • Effective Field theory techniques, amplitudes. These, together with ``classical'' PN approach, will probably develop together.
  • Effective one body: under-developed in France, but crucial to match inspiral to ringdown waveforms and for practical implementation of data analysis.
  • Numerical relativity. Tremendous progress over the last decades. A field which is under-developed in France. Connection with the community working of neutron star equations of state.
  • Quasinormal modes to higher (second) order: recent developments to help the matching?
  • Recent progresses on the gravitational self force problem for compact binaries, now solved numerically to second order in the mass ratio. Analytic expressions to be developed?
• All these questions can be repeated in modified gravity theories, see Théories de gravité, where there are many developments to refine. For the moment scalar-tensor theories are the only ones with accurate waveforms predicted.
• Wave forms from other individual sources: important to understand other possible GW signals (continuous waves, bursts, boson stars, other exotic possibilities etc): there could well be new discoveries in the next 10 years, and one needs to be prepared.

Astrophysics, Cosmology with GWs (and other messengers)

• Using individual sources to measure the Hubble constant and other cosmological parameters (e.g. equation of state of DE), see cosmologie. Unless there are many GW events with EM counterparts, this goes necessarily hand in hand with astrophysics (Galaxy surveys, cross correlation with LSS, mass distribution of black holes…)
• For analysis of all the data, dealing with overlapping signals etc, necessary to develop techniques of Machine Learning, IA, Quantum Computing
• Stochastic GW background (SGWB). Need to understand the astrophysical background to then probe the cosmological one, and hence early universe cosmology.
  • Calculation of templates, particularly for LISA. Different early universe sources e.g.: phase transitions, primordial BH, inflation, cosmic strings, etc
  • These sources can also be probed in other frequency bands (PTA, LIGO), so giving a broader picture.
  • Fluctuations of the SGWB.
• Multi wavelength analysis (LIGO-VIRGO/LISA etc)
• Dark matter and primordial black holes Matière Noire. GW bursts at high redshifts.
• Dark energy/modified gravity tests, see Théories de gravité
• Measuring QCD equation of state with neutron stars, physique des particules
• Etude des corrélations croisées entre les cartes des grands relevés de Cosmologie et celles des Ondes Gravitationnelles pour comprendre l'origine des systèmes binaires de trous noirs (stellaires, primordiaux…) ou le rôle des trous noirs supermassifs dans la formation des galaxies

• Voir la contribution de Pierre Vanhove au Sondage INP