Dissertations / Theses on the topic 'Détecteur d'ondes gravitationnelles'

Le détecteur d'ondes gravitationnelles Virgo est un interféromètre laser dont les bras font trois kilomètres de long. Cet interféromètre est actuellement dans une phase de réglages et d'ajustements ayant pour but d'amener l'instrument à sa sensibilité nominale. Il est pour cela nécessaire de réduire les bruits instrumentaux qui limitent la sensibilité pendant cette phase. Le travail décrit dans ce mémoire est consacré à l'analyse des bruits instrumentaux. Une description des bruits que l'on sait susceptibles de limiter la sensibilité de l'interféromètre est d'abord présentée, ainsi que leur mécanisme de propagation. La méthode ayant permis d'analyser les bruits instrumentaux est ensuite exposée. Elle consiste tout d'abord à identifier les sources de bruit potentielles par la recherche de cohérence entre les signaux de l'interféromètre. Il est ensuite utile de comprendre le mécanisme par lequel ces bruits se propagent dans l'interféromètre en élaborant des modèles analytiques. Cette analyse, appliquée aux données de l'interféromètre, a été complétée par des études utilisant une simulation du détecteur. Entre fin 2003 et fin 2005, les progrès de la mise en route de Virgo ont été ponctués par sept prises de données techniques, qui ont permis de vérifier l'évolution des performances du détecteur. Les résultats de l'analyse des bruits limitant la sensibilité de l'interféromètre au cours de chacune de ces prises de données techniques sont présentés dans ce mémoire. L'impact des améliorations techniques apportées à l'interféromètre pour éliminer l'effet de ces bruits est également discuté
The Virgo detector for gravitational waves is a laser interferometer with arms which are 3 km long. This interferometer is at present in its commissioning phase whose goal is to reach the Virgo nominal sensitivity. To this purpose it is necessary to reduce the technical noises which are limiting the sensitivity during this phase. The work described in this thesis focuses on the analysis of technical noises. The noises which are known to be likely to limit the sensitivity are first described and their propagation mechanism is also explained. The method used to analyse the technical noises is then presented. It first consists in identifying the possible noise sources by looking for coherence between the interferometer signals. Then it is useful to understand how the noise propagates into the interferometer. This is done by building analytical models of propagation. Some studies based on a simulation of the detector have been added to the analysis of interferometer data. Between the end of 2003 and the end of 2005, the advance of the commissioning has been punctuated with seven technical data taking periods, performed in order to check the evolution of the detector performance. The analysis of the noises limiting the interferometer sensitivity for each of these data taking is presented in this thesis. The impact of the technical upgrades implemented on the interferometer to suppress the effect of these noises is also discussed

La source laser pour le détecteur d'ondes gravitationnelles VIRGO a été conçue pour délivrer un faisceau stable, continu, mono mode de 20 W à 1.064 μm. Je rappelle dans un premier temps les principales contraintes auxquelles doit répondre la source laser. Je décris ensuite l'architecture du système et les techniques utilisées pour stabiliser le faisceau. Enfin je donne les principales performances obtenues jusqu'en juillet 2002 : puissance de 2.7W avec un niveau de stabilité en fréquence de 500 Hz rms pour un cycle utile de plus de 90%. Dans un second temps, j'étudie les principales sources de bruits et les processus de couplages pouvant expliquer le manque de stabilité du système. Je montre ainsi que le contrôle local utilisé contribue à augmenter le bruit de fréquence et de puissance jusqu'à 10 Hz. Des résonances mécaniques sont identifiées entre 10 Hz et 1 kHz. Ainsi la simplification de l'un des bancs devrait permettre au système de respecter les contraintes.

Le détecteur d'ondes gravitationnelles par interférométrie optique Virgo atteindra bientôt sa sensibilité nominale.
Les sources astrophysiques attendues sont principalement les coalescences de systèmes binaires d'objets compacts et les supernovas gravitationnelles. Les amplitudes des signaux sont à la limite de la sensibilité de l'instrument, les taux d'événements observables sont faibles et les formes d'ondes mal connues, notamment pour les effondrements gravitationnels.
L'analyse des données repose sur la recherche de signaux de faible amplitude dans du bruit coloré. Dans ce contexte, ce travail propose l'utilisation de décompositions temps-fréquence des séries temporelles pour la détection de signaux courts. Les performances de cette approche sont estimées en simulation et comparées à celles d'autres méthodes de détection disponibles dans la communauté.
Une autre difficulté pour l'analyse est la présence de structures spectrales étroites dans la distribution d'énergie en fréquence des données. Elles proviennent de résonances mécaniques des miroirs et du système d'isolation sismique de l'instrument. L'utilisation de filtres de Kalman pour éliminer ces bruits bien modélisés avant l'analyse est présentée. Le problème essentiel
de l'estimation des paramètres du modèle est traité, avec l'objectif d'une réestimation dynamique.
Enfin ces outils sont appliqués aux données Virgo disponibles, avec comme résultat principal la mise en évidence de sources de bruits instrumentaux importantes, dont la suppression demandera une amélioration du fonctionnement et une meilleure isolation de l'environnement.

Un siècle après leur prédiction par Albert Einstein, le 14 septembre 2015 des ondes gravitationnelles provenant de la coalescence de deux trous noirs ont été observées, ouvrant ainsi le champ à une toute nouvelle astronomie et une nouvelle manière d'étudier la gravitation. La faible amplitude des ondes gravitationnelles nécessite des détecteurs spécifiques et très sensibles. Advanced Virgo est un interféromètre kilométrique de deuxième génération dédié à la détection des ondes gravitationnelles. Un des éléments nécessaires pour atteindre la sensibilité requise est le système optique de filtrage appelé l’Output Mode Cleaner ou OMC, placé en sortie de l'interféromètre, et composé de deux cavités optiques. Ce manuscrit présente l'étude et la caractérisation de ce système optique de filtrage. Ce travail a permis de sélectionner les deux cavités actuellement installées dans le détecteur Advanced Virgo. Les performances de filtrage et l’impact de l’OMC sur la sensibilité du détecteur sont également décrits
About 100 years after their prediction by Albert Einstein gravitational waves produced by the coalescence of two black holes were observed on the 14th of September 2015, opening the field of gravitational wave astronomy and a new way to study gravitation. The small amplitude of gravitational waves requires specific and very sensitive detectors. Advanced Virgo is a second generation kilometric interferometer dedicated to the detection of gravitational waves. A necessary element to reach the required sensitivity is the filtering optical system named the Output Mode Cleaner or OMC, placed at the output of the interferometer, and composed of two optical cavities. This thesis shows the study and characterization of this optical system. This work informed the selection of the two optical cavities actually installed in the Advanced Virgo detector. The filtering performances and impact of the OMC on the detector sensitivity are also described

Les ondes gravitationnelles ont été prédites par Einstein dans sa théorie de la Relativité Générale. Elles sont des perturbations de l'espace-temps que l'on essaie de mettre en évidence par interférométrie laser. Les détecteurs sont des interféromètres de Michelson de plusieurs km de long combinés avec des cavités Fabry- Perot afin d'augmenter la sensibilité de l'instrument. La première génération de détecteurs (Virgo, LIGO, GEO) n'a pas permis d'obtenir une détection directe malgré plusieurs phases d'observations en coïncidence à la sensibilité prévue. Une seconde génération de détecteurs est actuellement en préparation avec notamment le projet européen Advanced Virgo qui devrait avoir une sensibilité améliorée d'un ordre de grandeur. Cette thèse s'intéresse dans un premier temps aux effets de lentille thermique due à la haute puissance contenue dans les cavités Fabry-Perot pour différentes configurations optiques de l'interféromètre. Par la suite, nous nous intéresserons aux miroirs qui composent les cavités Fabry-Perot depuis la définition des besoins en termes de planéité à la réalisation de cette planéité et à sa mesure. La planéité de ces miroirs doit être sub-nanométrique de façon à limiter les pertes optiques dans les cavités Fabry-Perot et ainsi réduire les effets du bruit de photons et de la lumière diffusée. Nous verrons la réalisation de la correction de la planéité des substrats par la technique dite du traitement correctif. Nous étudierons aussi l'uniformité du dépôt des couches minces diélectriques nécessaires à l'obtention de surface hautement réfléchissante avec en particulier l'étude du mouvement planétaire des substrats dans la machine de dépôts.

La sensibilité d'un détecteur interférométrique d'ondes gravitationnelles comme Virgo est cruciale pour l'analyse des sources astrophysiques. Une telle antenne détecte l'onde gravitationnelle comme une variation de phase de faisceau lumineux. La précision de la mesure peut être limitée par le bruit de longueur des cavités. dû aux vibrations thermiques, et par le bruit de fréquence du laser incident. Ma contribution à l'évaluation du bruit des modes de vibration interne des substrats des miroirs a été d'écrire un programme, basé sur la propagation des ondes acoustiques dans les solides. Il permet les calculs des fréquences de résonance, des masses équivalentes des modes, de la déformation de la surface et son couplage avec un faisceau lumineux incident. Les résultats permettent le dimensionnement des substrats. La sensibilité est alors légèrement moins bonne que celle fournie par une estimation grossière, si les pertes des ondes acoustiques sont constantes en fonction de la fréquence et égales à celles mesurées à résonance. Elle peut être améliorée par diminution des pertes ou par le choix d'un matériau ayant de meilleures performances. Nous avons également mené des expériences pour aider au choix du matériau des fils de suspension. Je propose une expérience de mesure directe du bruit thermique qui permettrait de vérifier la sensibilité.
La configuration de l'interféromètre rend le bruit de fréquence du laser négligeable si le laser est asservi en fréquence. La stabilisation de fréquence se fera en deux étages, l'un qui asservit la fréquence sur la longueur d'une cavité courte, le deuxième qui asservit sur les grands bras de l'interféromètre. Le premier étage a été construit. J'ai vérifié que ses performances remplissent les spécifications. La stabilité de fréquence obtenue se révèle être exceptionnelle.

Le but de l'expérience Virgo est la détection des ondes gravitationnelles. L'objet de cette thèse est l'étude de méthodes pour la recherche de signaux émis par des étoiles à neutrons ainsi que l'étalonnage du détecteur.
Dans une première partie, l'étoile à neutrons et son émission d'ondes gravitationnelles, sont présentées. Ensuite le détecteur, les principales sources de bruits, ainsi que la solution adoptée pour l'étalonnage sont décrits.
Puis dans une seconde partie la modélisation des effets dus aux mouvements de la terre (effet Doppler, modulation d'amplitude) est décrite. Leurs conséquences sur le rapport signal sur bruit sont déterminées.
Les deux derniers chapitres sont consacrés aux algorithmes de recherche de signaux périodiques. Tout d'abord le cas où la position de la source est connue est présenté. Le ralentissement de la rotation de la source et la correction de cet effet sont décrits. La correction de l'effet Doppler est aussi détaillée. De même, le problème de la gestion du gigantesque flot de données à traiter est abordé, et une solution y est apportée. Finalement la difficulté de recherche multidirectionnelle est présentée. Des prototypes d'algorithmes hiérarchiques sont aussi évalués.

Virgo est un interferometre kilometrique concu pour la detection des ondes gravitationnelles. Ses miroirs suspendus doivent etre controles en permanence afin d'assurer un fonctionnement optimal du detecteur. Puisque l'interferometre doit fonctionner 24 heures sur 24, le dispositif necessite un controle efficace de la position des optiques et l'analyse des formes de faisceaux pendant l'alignement ou le realignement. Un tel controle doit s'exercer en temps reel et doit s'integrer dans le systeme complexe d'asservissement de l'interferometre. Cette these decrit le systeme d'imagerie constitue d'une camera ccd, d'une interface vme et des outils logiciels associes. Leurs applications au controle local des objets suspendus et a l'alignement initial de l'interferometre est presente. Le controle local qui mesure les six degres de liberte d'un miroir suspendu, par rapport a un systeme de reference local, est detaille. Ce controle est essentiellement applique a la memorisation des positions des miroirs ainsi qu'a l'amortissement de leurs mouvements pendulaires. L'analyse d'images est utilisee au demarrage de l'alignement de l'interferometre. Elle controle la position des impacts de faisceaux sur les miroirs. Le modele est teste sur un dispositif experimental et par simulation.

L'interféromètre Virgo vise à réaliser la première détection directe des ondes gravitationnelles. Avant que l'instrument complet ne soit disponible, des activités préparatoires ont lieu : tests des sous-systèmes sur l'interféromètre central (CITF) ou simulations de la future analyse des données. J'ai travaillé dans ces deux domaines, sur le contrôle longitudinal des cavités et la recherche d'algorithmes de détection en temps réel de siganux impulsionnels. Pour atteindre sa sensibilité, Virgo doit être maintenu à son point de fonctionnement par des asservissements tant longitudinaux qu'angulaires. Cette tâche est gérée de manière centrale par le Contrôle Global. Une fois ses caractéristiques hardware et software présentées, on montre qu'elles permettent d'atteindre le niveau de spécification requis. Ensuite, son utilisation sur le CITF est décrite, en particulier lors des acquisitions des résonances des cavités, pour le Michelson simple d'abord, puis pour le CITF complet (miroir de recyclage aligné). .
The Virgo interferometer is aimed at achieving the first direct detection of the gravitational waves. Before the availability of the complete detector, some preliminary activities are taking place: tests of the different sub-systems on the central interferometer (CITF) and simulations of the future data analysis. I worked in both fields: on the longitudinal control of the cavities and on the search of on-line detection triggers for implulsive sources. To reach its sensitivity, Virgo must be kept at its working point by longitudinal and angular servo controls. The Global Control steers this task centrally. After having presented its hardware and software features, one shows that they follow the necessary requirements. Hen its uses on the ITF are described, in particular during cavity resonance acquisitions, first for the simple Michelson, then for the whole CITF (recycling mirror aligned). In parallel, the tested strategies as well as the first experimental results are presented. .

L’existence de la matière noire et la vérité sur sa nature a été l’une des plus grandes énigmes du XXe siècle et elle l'est encore aujourd’hui. Au cours des dernières décennies, plusieurs hypothèses, telles que le modèle WIMPs, ont été proposées pour résoudre une telle énigme. Aucune d’entre elles n’a pour l'instant réussi. Dans ce travail de thèse, nous nous concentrerons sur un autre modèle très attrayant dans lequel la matière noire pourrait être décrite avec succès par un champ scalaire ultra-léger. L’origine de ce champ peut être recherchée dans la limite de basse énergie de l’une des théories d’unification les plus prometteuses : la théorie des cordes.Dans ce travail, nous montrons comment un tel champ scalaire, s’il est présent, interagit avec la matière standard et en particulier avec l’appareil optique qui est au cœur des antennes d’ondes gravitationnelles. Nous evaluons et nous discutons le signal produit par cette interaction à travers différentes approches. Des solutions approximatives et exactes sont ensuite obtenues. Une attention particulière est accordée au terme du deuxième ordre de l’expansion en série approximative du signal. On trouve, en effet, que sa contribution finit par ne pas être négligeable lorsque l'on tient compte des dimensions géométriques spécifiques et de la gamme de fréquence des détecteurs d’ondes gravitationnelles comme Advanced LIGO et Advanced Virgo. En tenant compte des travaux récents, nous supposons la présence d’un flux de matière noire voisin du système solaire et nous montrons son effet sur le signal.Nous proposons et discutons une analyse statistique hiérarchique visant à la détection du signal. En cas de non-détection, une courbe limite pour le paramètre de couplage dg* est dérivée. Cette courbe est ensuite analysée en détail montrant l’ampleur de la contribution des termes de premier ordre et de deuxième ordre de l’expansion en série de signaux. Nous analysons la modification de la courbe de contrainte en raison de la variation de la fraction de matière noire locale appartenant au flux. Nous montrons enfin comment la courbe de contrainte répond aux variations du paramètre de recherche. Une discussion sur des choix optimaux est proposée
The existence of the dark matter and the truth beyond its nature has been one of the greatest puzzles of the twentieth century and still it is nowadays. In the last decades several hypotheses, such as the WIMPs model, have been proposed to solve such puzzle but none of them has been able so far to succeed.In this thesis work we will focus on another very appealing model in which dark matter is successfully described by an ultra-light scalar field whose origin can be sought in the low-energy limit of one of the most promising unification theories: the String Theory.In this work we show how such scalar field, if present, interacts with standard matter and in particular with the optical apparatus that is at the core of gravitational waves antennas. We derive and discuss the signal produced by this interaction through different approaches deriving both approximated and exact solutions. Special attention is paid to the second-order term of the signal approximate series expansion whose contribution ends up to be not negligible when one factors in the specific geometrical dimensions and frequency range of gravitational waves detectors like Advanced LIGO and Advanced Virgo.A suggested by recent surveys we assume presence of a dark matter stream in the local neighborhood of the solar system and show its effect on the signal.We then propose and discuss a hierarchical statistical analysis aimed to the signal detection. In case of no detection a limit curve for the coupling parameter dg* is derived. Such curve is then analyzed in detail showing the magnitude of the contribution of the first-order and second-order terms of the signal series expansion. We analyze the modification of the constraint curve due to the variation of the fraction of local dark matter belonging to the stream. We show finally how the constraint curve responds to variations of the search parameter and discuss the optimal choices

Le bruit quantique est une des limitations principales des détecteurs interférométriques d'ondes gravitationnelles, comme Virgo et LIGO. Réduire le bruit quantique a un impact direct sur la portée scientifique des futurs détecteurs d'ondes gravitationnelles (Advanced Virgo +, Advanced LIGO+, Einstein Telescope, Cosmic Explorer). L'origine du bruit quantique réside dans la nature quantique de la lumière, et en particulier dans les fluctuations du vide qui entrent par la sortie de l'interféromètre. Actuellement, l'injection d'états de vide comprimé (squeezing indépendant de la fréquence) dans Virgo et LIGO permet de réduire le bruit quantique dans la bande spectrale de détection correspondante à une des deux composantes de ce bruit, le bruit de photons, ou shot noise, pour des fréquences supérieures à environ 100 Hz. La pression de radiation, l'autre composante, se manifeste quant à elle à de plus basses fréquences. Le shot noise émane de l'incertitude sur la phase tandis que la pression de radiation, de l'incertitude sur l'amplitude. Le principe d'incertitude d'Heisenberg impose que la réduction du shot noise grâce à l'injection d'états du vide comprimé sur la phase, se traduise nécessairement par une augmentation de la pression de radiation. Cet état comprimé peut être représenté par une ellipse, illustrant l'état comprimé du vide dans l'espace phase-amplitude, où les incertitudes sur la phase et l'amplitude sont inégales. Cependant, cet effet a commencé à dégrader la sensibilité des interféromètres Virgo et LIGO, durant la prise de données appelée O3. Afin de réduire le bruit quantique sur toute la bande spectrale de détection (et donc aussi à basse fréquence), il est nécessaire d'introduire dans l'interféromètre un squeezing dépendant de la fréquence, c'est-à-dire un état du vide comprimé, tantôt sur l'amplitude et tantôt sur la phase, permettant de réduire à la fois la pression de radiation et le shot noise. Pour Advanced Virgo+ et Advanced LIGO+ (les projets d'améliorations en cours, pour les détecteurs actuels, appelés Advanced Virgo et Advanced LIGO), l'ajout d'une cavité de filtrage quantique suspendue de 300 mètres et avec une très grande finesse, permettra de réaliser ce squeezing dépendant de la fréquence. Ma thèse porte sur le développement de techniques de squeezing pour la réduction du bruit quantique dans les futurs détecteurs d'ondes gravitationnelles. J'ai d'abord contribué à un travail expérimental sur l'automatisation et l'amélioration d'une source de squeezing indépendant de la fréquence et situé sur le site de Virgo, à Pise. Ce travail préparatoire a été réalisé pour la conception d'un banc de démonstration pour l'étude d'une technique de squeezing dépendant de la fréquence, alternative à celle proposée ci-dessus et basée sur l'intrication quantique (de type Einstein-Podolsky-Rosen). Les fondements théoriques de ce squeezing EPR ayant été proposés en 2017, cette technique présente des avantages pour les futurs détecteurs d'ondes gravitationnelles, notamment liés à l'absence de cavité de filtrage. Dans ce cadre, j'ai participé au design optique complet de cette expérience, qui pourra être implémentée sur le détecteur Virgo. J'ai conçu, réalisé et testé dans le laboratoire optique de l'APC, une cavité Fabry-Perot monolithique (de type étalon) nécessaire pour la séparation et la détection de deux faisceaux intriqués. Plus précisément, j'ai effectué des mesures de caractérisation optique et sur la stabilisation thermique de cette cavité, permettant de conclure sur les performances de cet étalon
Quantum noise is one of the main limitations for interferometric gravitational-wave (GW) detectors as Virgo and LIGO. Reducing quantum noise has a direct impact on the science reach of future GW detectors (Advanced Virgo +, Advanced LIGO+, Einstein Telescope, Cosmic Explorer). Quantum noise originates from the quantum nature of light, especially from the vacuum fluctuations entering by the interferometer detection stage. The current injection of vacuum squeezed states (frequency-independent squeezing) into Virgo and LIGO leads to the quantum noise reduction in the spectral detection region corresponding to one of the two components of quantum noise. This so-called quantum shot noise is present at frequencies higher than 100 Hz. The other quantum noise component, the so-called quantum radiation pressure noise, manifests itself at lower frequencies. Shot noise arises from the uncertainty on the phase, while the latter arises from the uncertainty on the amplitude. Heisenberg's uncertainty principles induce that the shot noise reduction, thanks to the injection of vacuum squeezed states, results in a radiation pressure noise increase. This squeezed state of light can be depicted with an ellipse, representing the squeezed states in a phase-amplitude space, with inequal uncertainties for the phase and the amplitude. Nonetheless, during the data-taking period called O3, this subsequent noise increase started to degrade the Virgo and LIGO interferometers' sensitivities. To achieve a broadband reduction of quantum noise, it is necessary to inject a frequency-dependent squeezing inside the interferometer, i.e., injecting vacuum squeezed states in a frequency-dependent way, which will have a smaller uncertainty accordingly to the concerned quantum noise component. For the next upgrade of the current detectors Advanced Virgo and Advanced LIGO, called Advanced Virgo+ and Advanced LIGO+, frequency-dependent squeezing is obtained by adding a suspended 300-meter filter cavity, with very high finesse. My thesis engages in the development of squeezing techniques for quantum noise reduction in future GW detectors. First, I contributed to an experimental work based on the automation and the improvement of a frequency-independent squeezed vacuum source located on the Virgo site, at Pisa. This was a preparatory work for the conception of a table-top experiment to study a frequency-dependent squeezing technique, alternative compared to the one proposed previously and based on Einstein-Podolsky-Rosen entanglement. The theory being brought forward in 2017, this technique offers significant advantages for future GW detectors, due to the absence of an external cost-intensive filter cavity. In this framework, I participated to the realization of a complete optical design for this experimental demonstrator, that can be implemented into the detector Virgo. I designed, realized, and tested a monolithic Fabry-Perot cavity (a solid etalon), at the optical laboratory of APC, necessary for the separation and detection of two entangled beams. More precisely, this cavity was optically characterized and its thermal stabilization was evaluated, which allowed to check its performances

L'objectif de ce travail est la détection conjointe d'ondes gravitationnelles et de neutrinos cosmique de haute énergie à travers une approche multi-messagers. Les astronomies "neutrinos" et "ondes gravitationnelles" sont encore en phase de développement, mais elles sont appelées à jouer un rôle fondamental dans le futur. En effet, ces "messagers" peuvent parcourir de grandes distances grâce à leur faible interaction avec la matière (contrairement aux photons qui, à haute énergie, sont rapidement absorbés), sans être affectés par les champs magnétiques (contrairement aux rayons cosmiques chargés). Ils peuvent également s' échapper de milieux denses et fournir des informations sur les processus qui ont lieu au coeur des sources astrophysique (les photons s' échappent des couches périphériques des objets célestes). En un mot, ces astronomies sont susceptibles d'ouvrir une nouvelle fenêtre d'observation sur le cosmos. La collaboration ANTARES a construit en Méditerranée un télescope sous-marin de neutrino de haute énergie d'une surface de détection proche de 0.1 km². C'est le télescope le plus sensible pour la partie du ciel observée. Les interféromètres VIRGO et LIGO sont des détecteurs terrestres pour l'observation directe d'ondes gravitationnelles, instalés en Europe et aux états-Unis d'Amérique respectivement. Les instruments ANTARES, VIRGO et LIGO offrent une sensibilité inégalée dans la zone de recherche commune. Le premier chapitre de cette thèse introduit les motivations théoriques pour une recherche jointe d'ondes gravitationnelles et de neutrinos de haute énergies en développant les différents scénarios d'émission. Le deuxième et troisième chapitres sont consacrés à l'étude des techniques de détection avec les interféromètres VIRGO-LIGO et le télescope à neutrinos ANTARES. Les quatriéme et cinquième chapitres de ce travail présentent les résultats d'analyses de données combinées d'ANTARES, VIRGO et LIGO prises séparement pendant les années 2007 et 2009-2010.

L'objectif de ce travail est la détection conjointe d'ondes gravitationnelles et de neutrinos cosmique de haute énergie à travers une approche multi-messagers. Les astronomies “neutrinos” et “ondes gravitationnelles” sont encore en phase de développement, mais elles sont appelées à jouer un rôle fondamental dans le futur. En effet, ces “messagers” peuvent parcourir de grandes distances grâce à leur faible interaction avec la matière (contrairement aux photons qui, à haute énergie, sont rapidement absorbés), sans être affectés par les champs magnétiques (contrairement aux rayons cosmiques chargés). Ils peuvent également s' échapper de milieux denses et fournir des informations sur les processus qui ont lieu au coeur des sources astrophysique (les photons s' échappent des couches périphériques des objets célestes). En un mot, ces astronomies sont susceptibles d'ouvrir une nouvelle fenêtre d‘observation sur le cosmos. La collaboration ANTARES a construit en Méditerranée un télescope sous-marin de neutrino de haute énergie d'une surface de détection proche de 0. 1 km². C'est le télescope le plus sensible pour la partie du ciel observée. Les interféromètres VIRGO et LIGO sont des détecteurs terrestres pour l'observation directe d'ondes gravitationnelles, instalés en Europe et aux états-Unis d'Amérique respectivement. Les instruments ANTARES, VIRGO et LIGO offrent une sensibilité inégalée dans la zone de recherche commune. Le premier chapitre de cette thèse introduit les motivations théoriques pour une recherche jointe d'ondes gravitationnelles et de neutrinos de haute énergies en développant les différents scénarios d'émission. Le deuxième et troisième chapitres sont consacrés à l'étude des techniques de détection avec les interféromètres VIRGO-LIGO et le télescope à neutrinos ANTARES. Les quatriéme et cinquième chapitres de ce travail présentent les résultats d'analyses de données combinées d'ANTARES, VIRGO et LIGO prises séparement pendant les années 2007 et 2009-2010
The aim of this work is the joint detection of gravitational waves and high energy neutrinos in a multi-messengers context. The neutrino and gravitational waves astronomies are still in the phase of development, but they are expected to play a fundamental role in the future. In fact, these messengers can travel big distances because of their weak interaction with matter (contrary to photons that at high energy are rapidly absorbed) without being affected by magnetic fields (contrary to charged cosmic rays). They can also escape dense media and provide informations on the processes taking place in the heart of astrophysics sources. Particularly, GW+HEN multi-messenger astronomy may open a new observational window on the Universe. ANTARES collaboration has built a telescope of area ​​0. 1 km² in the Mediterranean Sea for the detection of high energy neutrinos. This is the most sensitive telescope for the observed part of the sky. LIGO and VIRGO interferometers are ground-based detector for direct observation of gravitational waves, instaled in Europe and the USA respectively. Instruments ANTARES, VIRGO and LIGO offer unrivaled sensitivity in the area of ​​joint observation. The first chapter of this thesis introduces the theoretical motivations for GW+HEN search by developing different emission scenarios. The second and third chapters we give an overview of the experiments and review the data analysis tools. The fourth and fifth chapters of this work present the results of the analysis of the combined data from ANTARES, VIRGO and LIGO taken separately in 2007 and 2009-2010

Cette thèse présente les résultats de la recherche de signaux d'ondes gravitationnelles transitoires de longue durée dans les données des deux premiers runs d'observation des détecteurs advanced LIGO et advanced Virgo. Ces ondes sont principalement émises par des étoiles à neutrons ou des trous noirs impliqués dans des phénomènes violents. Pour certaines sources, une modélisation impliquant une dynamique complexe et des instabilités hydrodynamiques peut prédire grossièrement la forme d'onde. Mais de manière générale, seulement l'information approximative sur la durée et la bande de fréquence est utilisée pour définir les limites de l'espace des paramètres de la recherche. Une méthode d'analyse temps-fréquence robuste aux incertitudes de la modélisation des signaux a donc été développé. En combinant les données de deux détecteurs de façon cohérente, la méthode permet de différencier les signaux recherchés du bruit de fond non gaussien des détecteurs. En l'absence de détection, nous avons placé des limites supérieures sur l'énergie émise et le taux attendu pour ces sources. Une recherche du signal attendu après la fusion de deux étoiles à neutrons observé en août 2017 (GW170817) a également était faite dans l'hypothèse où une étoile à neutrons supre-massive a été formée. Aucun signal n'a été identifié et j'ai montré que des détecteurs un ordre de grandeur plus sensibles auraient été nécessaires pour détecter un tel signal
This thesis shows the results of the search of long duration transient gravitational waves using the data from the first two observation runs of advanced LIGO and advanced Virgo detectors. These long duration gravitational waves are mainly emitted by neutrons stars or black hole involved in extreme phenomena. For some sources, a modeling involving a complex dynamics and hydrodynamic instabilities can predict roughly the waveform. Nevertheless, for the general case, only a partial informations on the duration and frequency band are used to limits the parameters space. A time-frequency analysis, sturdy enough to modeling incertitude, has been developed and applied to the data. Combining data from two detectors in a coherent way, the analysis can distinguish between signal and detector's non gaussian background noise. In the absence of detection, we have placed upper limits on the energy emitted and the expected rate for these sources. A search for the expected signal emitted by the object created after the neutron stars coalescence and merger observed in August 2017 (GW170817) was also made assuming a supra-massive neutron star was created and survived hundred of seconds after the merger. No signal has been found and we have shown that detectors of an order of magnitude more sensible would have been required to detect a signal from this source

Les ondes gravitationnelles sont des perturbations de l'espace-temps qui pourraient être détectées par un interféromètre de Michelson avec cavités Fabry-Perot. Plusieurs interféromètres sont à présent en opération: LIGO, Virgo, GEO. Ces instruments ont atteint leur sensibilité nominale et ont accompli plusieurs acquisitions de données scientifiques. Aucune détection n'a été reportée. Advanced Virgo, Advanced LIGO et LCGT sont les projets d'amélioration de sensibilité des détecteurs actuels d'un ordre de grandeur. Ces instruments, dont la construction est en cours, permettront la première détection directe des ondes gravitationnelles. Une ultérieure troisième génération d'instrument offrant une encore plus grande sensibilité est à l'étude. La sensibilité des détecteurs futurs sera limitée par le bruit thermique des miroirs. Cette thèse porte sur deux thèmes liés à la réduction de ce bruit. Le premier concerne la conception optique des cavités stable de Advanced Virgo. Leurs propriétés sont présentées, les arguments en faveur de leur utilisation sont discutés. Une procédure est établie pour achever leur conception optique. Plusieurs configurations sont examinées, conduisant à la sélection de l'une d'entre elles dont on discute les performances optiques. Le deuxième thème concerne l'utilisation des modes de Laguerre-Gauss (LG). On présente les résultats d'une expérience testant la génération d'un mode LG33 avec une optique diffractive et une cavité Fabry-Perot. Ce mode est utilisé dans un interféromètre de Michelson pour démontrer la faisabilité de mesures interférométriques avec des faisceaux non-Gaussiens. L'utilisation des modes LG dans les détecteurs futurs est discutée.

Le détecteur d'ondes gravitationnelles Virgo est un interféromètre laser dont les bras font trois kilomètres de long. Cet interféromètre est actuellement dans une phase de réglages et d'ajustements ayant pour but d'amener l'instrument à sa sensibilité nominale. Il est pour cela nécessaire de réduire les bruits instrumentaux qui limitent la sensibilité pendant cette phase. Le travail décrit dans ce mémoire est consacré à l'analyse des bruits instrumentaux.
Une description des bruits que l'on sait susceptibles de limiter la sensibilité de l'interféromètre est d'abord présentée, ainsi que leur mécanisme de propagation. La méthode ayant permis d'analyser les bruits instrumentaux est ensuite exposée. Elle consiste tout d'abord à identifier les sources de bruit potentielles par la recherche de cohérence entre les signaux de l'interféromètre. Il est ensuite utile de comprendre le mécanisme par lequel ces bruits se propagent dans l'interféromètre en élaborant des modèles analytiques. Cette analyse, appliquée aux données de l'interféromètre, a été complétée par des études utilisant une simulation du détecteur.
Entre fin 2003 et fin 2005, les progrès de la mise en route de Virgo ont été ponctués par sept prises de données techniques, qui ont permis de vérifier l'évolution des performances du détecteur. Les résultats de l'analyse des bruits limitant la sensibilité de l'interféromètre au cours de chacune de ces prises de données techniques sont présentés dans ce mémoire. L'impact des améliorations techniques apportées à l'interféromètre pour éliminer l'effet de ces bruits est également discuté.