The Laser Interferometer Space Antenna (LISA) is a large mission of the European Space Agency. It will address the scientific theme of "The Gravitational Universe" by observing gravitational waves sources emitting between 0.02 milliHertz and 1 Hertz. LISA is formed by tree spacecrafts on heliocentric orbits exchanging laser beams over 2.5 millions kilometers in order to measure the deformation of spacetime of few pico-meters due to gravitational waves. The typical sources LISA will observe are SuperMassive Black Hole Binaries until very high redshift, tens of thousands of Galactic Binaries, Extreme Mass Ratio Inspiral Binaries, Stellar Mass Black Hole Binaries, stochastic backgrounds from the very early Universe plus all the unexpected sources.

While LISA is expected to be launched around 2034, the design of the mission is done in the phase A and the detailed configuration will be decided within few years (before 2022). Then it is today that the choice will be done based studies as precise as possible After the excellent results of the LISAPathfinder mission, demonstrating the capacity of doing free-falling at the required precision for LISA and the first results of GRACE-Follow-On performing laser interferometry between to distant spacecraft, we have a good control of the individual technics required for LISA without any major stopper. But in order to obtain the extreme metrology performances enabling observations of the large number of LISA sources, all spacecrafts components and the ground-based processing must be considered together as a whole instrument contrary to standard mission. Actually it is crucial to understand each technological items and their relations with the others, as well as the on-board and ground processing cleaning the data from dominant noises and extracting gravitational wave sources parameters. In addition to analytical models, this understanding of the full performance of LISA requires (i) advanced simulations including in particular 3D dynamics, correlations, clock effects and control loops, (ii) prototypes of pre-processing ("data cleaning") and (iii) prototypes of data analysis pipelines.

In this thesis, we propose to contribute to this understanding of the full performances of LISA, connecting realistic instrument model and science. More precisely, the PhD student will:
- develop and implement new models for the instrumental effects using the results of LISA Pathfinder or other dedicated studies;
- exploit the existing simulator to study the performance of the pre-processing methods in reducing noises;
- develop and implement a prototype of the pre-processing;
- test the performance of existing data analysis methods for extracting source parameters, using realistic simulated data;
- improve the existing data analysis methods and/or develop new ones.
- exploit the last point to determine the ability of LISA to observe some gravitational wave sources  

The expected results are the improvement of the existing simulator LISANode with more realistic instrument model, prototype of pre-processing and data analysis technics, contributions to the detailed design of the mission and a realistic evaluation of the ability of LISA to observe some sources.

This work will be done in the framework of the Consortium LISA and LISA-France: strong interactions with “Simulation Working Group”,  “LISA Data Processing Group”, “Performance Working Group” of the “LISA Instrument Group” and “LISA Data Challenge Working Group”. It will be directly a part of the French contribution to the LISA mission.

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LISA (Laser Interferometer Space Antenna) est une mission large de l'ESA (Agence Spatiale Européenne). Son objectif est de comprendre "l'Univers gravitationnel" par l'observation de sources d'onde gravitationnelle émettant entre 0.02 milliHertz et 1 Hertz. LISA est formée de 3 satellites en orbite héliocentrique s'échangeant des faisceaux lasers de manière à mesurer par interférométrie les déformations de l'espace de quelques pico-mètres dues au passage d'ondes gravitationnelles. Les sources qu'observera LISA sont les binaires de trous noirs super-massifs, plusieurs dizaines de milliers de binaires galactiques, des binaires à rapport de masse extrêmes, des binaires de trous noirs de masses stellaires, de potentiels fonds stochastiques originaires de l'Univers primordial ainsi que toutes les sources inattendues.

Bien que LISA devrait être lancé vers 2034, le design de la mission se fait maintenant, en phase A, et la configuration détaillée sera fixée dans quelques années (avant 2022). C'est donc aujourd'hui qu'il faut faire les bons choix en se basant sur des études aussi détaillées que possibles. Après les excellents résultats de la mission LISAPathfinder qui a démontré la capacité d'effectuer des chutes libres à la précision nécessaire pour LISA, et les premier résultats de GRACE Follow-on qui effectue de l'interférométrie laser entre deux satellites distants, nous avons une bonne compréhension individuelle des technologies nécessaires pour LISA. Mais pour atteindre la précision métrologique extrême nécessaire à l'observation d'un grand nombre de sources, tous les éléments des satellites ainsi que les traitements au sol doivent être considérés comme un tout constituant la mission. Il est en effet crucial de comprendre chaque sous-systèmes et sa relation avec les autres sous-systèmes, ainsi que les traitements à bord et au sol permettant le nettoyage des données puis l'extraction des paramètres des sources d'onde gravitationnelle. En plus des modélisations analytiques, la compréhension des performances globales de LISA nécessite (i) des simulations avancées en particulier de la dynamique 3D, des corrélations, des effets d'horloges et des boucles de contrôle, (ii) des prototypes de pré-traitements et (iii) des prototypes de chaines d'analyse de données.

Lors de cette thèse, nous proposons de contribuer à cette compréhension des performances de l'instrument en connectant au mieux modélisations réalistes de l'instrument et science. Plus précisément, le doctorant:
- développera et implémentera dans le simulateur des modèles détaillés pour des sous-systèmes de l’instrument utilisant les résultats de LISAPathfinder et d’autres études dédiées;
- développera et implémentera un prototype de pré-traitement;
- exploitera le simulateur existant pour étudier les performances des pré-traitements réduisant les bruits;
- étudiera sur des données simulées réalistes les performances de méthodes existantes d’analyses de données pour extraire les paramètres des sources;
- améliorera ces méthodes d’analyses ou en développera de nouvelles;
- exploitera simulations réalistes + pré-traitements + méthodes d’analyses pour évaluer les capacités scientifiques de LISA quand à l’observation de sources d’ondes gravitationnelles;

Les résultats attendus sont une amélioration du simulateur existant avec des modèles plus réalistes de l’instrument, des prototypes de pré-traitement et de chaines d’analyses, des contributions au design détaillé de l’instrument et une évaluation plus réaliste des capacités scientifiques de la mission LISA.
Ce travail se fera dans le cadre du Consortium LISA et de LISA-France: interactions fortes avec le “Simulation Working Group”, le “LISA Data Processing Group”, le “Performance Working Group” du “LISA Instrument Group” et le “LISA Data Challenge Working Group”. Il s’intégrera pleinement dans la contribution française à la mission LISA.

References:
- LISA @ ESA : https://www.cosmos.esa.int/web/LISA
- LISA Consortium : lisamission.org
- LISA Science Requirements Document : https://atrium.in2p3.fr/f5a78d3e-9e19-47a5-aa11-51c81d370f5f