Fonds stochastiques d'ondes gravitationnelles astrophysiques : pour LVK, LISA et ET

En 1915, Albert Einstein élabora la relativité générale (RG), et prédit un an plus tard l'existence des ondes gravitationnelles (OGs), de petites ondulations de l'espace-temps se propageant à la vitesse de la lumière. Un siècle après cette prédiction, en 2015, LIGO détecta pour la première fois des OGs, ouvrant une nouvelle ère en astronomie. Depuis, les détecteurs terrestres LIGO et Virgo ont observé de nombreuses coalescences de binaires d'objets compacts (CBs), en particulier de trous noirs (BHs) et d'étoiles à neutrons (NSs). Ces observations, dont le nombre dépasse aujourd'hui la centaine, ont permis d'affiner les modèles d'évolution stellaire et de mieux contraindre les taux de formation et de fusion des CBs. Au-delà des sources résolues, la superposition de nombreuses sources non résolues forme un signal diffus : le fond stochastique d'ondes gravitationnelles (SGWB). Ce dernier encode des informations précieuses sur les coalescences à haut redshift, mais aussi sur divers phénomènes astrophysiques et cosmologiques : supernovae, étoiles à neutrons en rotation rapide, trous noirs primordiaux, inflation, cordes cosmiques ou encore transitions de phase dans l'Univers primordial. Cette thèse s'intéresse au SGWB issu de la coalescence de CBs, notamment les binaires de trous noirs (BBHs) et d'étoiles à neutrons (BNSs). En combinant modèles analytiques et simulations numériques via un code de synthèse de population, nous explorons les incertitudes astrophysiques et la détectabilité du SGWB pour les interféromètres actuels (LIGO/Virgo/Kagra - LVK) et futurs (LISA, Einstein Telescope - ET, Cosmic Explorer - CE).Le manuscrit se structure en deux axes : (1) la modélisation des incertitudes du SGWB provenant des BBHs et BNSs dans les bandes de fréquences de LVK et LISA ; (2) l'exploration des composantes haute fréquence (>kHz) du SGWB liées à la phase post-coalescence des BNSs. J'ai également contribué à une étude dirigée par Clément Pellouin sur les voies de formation des BNSs. Nous avons étudié l'impact d'hypothèses physiques comme la distribution des délais entre formation et coalescence, la répartition des masses ou l'évolution de la métallicité sur le SGWB. Nos résultats montrent que l'incertitude principale vient du taux de coalescence local des BBHs et BNSs mesuré par LVK. Les variations entre modèles peuvent atteindre un ordre de grandeur. Nous prévoyons que le SGWB des BBHs pourrait être détecté par LISA, mais reste hors de portée de LVK durant O4. En outre, nos modèles suggèrent que LISA pourrait résoudre individuellement environ O(10) BBHs, mais aucune BNS. Concernant la composante haute fréquence du SGWB, nous avons analysé l'émission issue de la phase post-coalescence des BNSs. Cette émission, située au-dessus du kHz, échappe aux détecteurs actuels mais sera accessible à ET et CE. Contrairement à l'hypothèse d'un effondrement direct en trou noir, des simulations récentes indiquent la formation possible d'une étoile à neutrons hypermassive (HMNS), émettant fortement des OGs à des fréquences caractéristiques. En modélisant cette émission dans un cadre quasi-universel, nous estimons que le SGWB associé se situe ΩGW ∼ 10−10 − 10−9 autour de ∼ 1–2 kHz autour de 1-2 kHz, en faisant une cible prometteuse pour les futurs détecteurs. Enfin, j'ai participé à une étude sur les canaux de formation des BNSs. Grâce à un code de synthèse de population, nous avons montré que la métallicité et les interactions binaires influencent fortement ces canaux. Une voie particulière, accretion- induced collapse (AIC), peu explorée jusqu'alors, devient dominante à faible métallicité, contrairement aux voies classiques qui prévalent à haute métallicité. Le canal AIC pourrait ainsi jouer un rôle important dans l'enrichissement précoce en éléments issus du r-process.