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La première détection d'une Onde Gravitationnelle (OG) a été faite le 14 Septembre 2015 par la collaboration LIGO-Virgo avec les deux détecteurs de LIGO. Elle a été émise par la fusion de deux Trous Noirs, fournissant ainsi la première preuve directe de l’existence des Trous Noirs. Advanced Virgo est la version améliorée de l’interféromètre Virgo et il va rejoindre les détecteurs LIGO dans les mois qui suivent. Le passage d'une OG induit un changement différentiel de la distance entre masses-test (uniquement sensibles à la force gravitationnelle). Cette variation de distance est proportionnelle à l'amplitude de l'OG, néanmoins le déplacement le plus grand qui peut être observé depuis la Terre est de l'ordre de 10⁻¹⁹ m/sqrt(Hz) en terme de densité spectrale. C'est pour cela que l’interféromètre de Michelson est l'instrument idéal pour détecter cet effet différentiel. Les détecteurs d’OG utilisent des miroirs suspendus, qui se comportent comme masses-test. Le passage d'une OG va produire un changement dans la distance entre les miroirs qui va modifier la condition d’interférence et donc une variation de puissance lumineuse mesurée par la photodiode de détection. Cependant, un Michelson simple n'est pas assez sensible et des améliorations ont été ajoutées. La première génération de détecteurs a ajouté des cavités Fabry-Pérot dans les bras pour augmenter le chemin optique. De plus un nouveau miroir a été ajouté pour recirculer la lumière réfléchie vers le laser et augmenter la puissance effective, en créant une nouvelle cavité connue comme Power Recycling Cavity (PRC). Son effet est d’autant plus important que le Michelson est en fait optimalement réglé sur une frange noire. Tous les miroirs du détecteur ressentent le bruit sismique et les longueurs des cavités, entre autres, changent en permanence. Il est donc nécessaire de contrôler activement la position longitudinale et angulaire des cavités pour les maintenir en résonance. Pendant ma thèse j'ai étudié le contrôle de Advanced Virgo d’abord en simulation puis pendant le commissioning lui-même. D'abord j'ai simulé la stratégie de contrôle utilisée dans Virgo avec des simulations modales. L'objectif était de vérifier si la même stratégie pouvait être appliquée à Advanced Virgo ou s'il fallait l'adapter. Avec Advanced Virgo les cavités Fabry-Pérot ont une finesse plus grande ce qui entraîne de nouveaux effets dynamiques et qui demande une stratégie de contrôle spéciale, stratégie que j'ai modifiée pour l'adapter aux besoins du commissioning. Concernant la PRC, j’ai étudié l'impact de sa stabilité dans le fonctionnement de l’interféromètre. Comme elle est très proche de la région d’instabilité, l’onde lumineuse être très sensible à l'alignement et a l'adaptation du faisceau à la cavité. J’ai vérifié avec les simulations son impact sur les contrôles longitudinaux, qui peuvent devenir instables, et une solution a été validée. Ensuite j'ai utilisé cette information pour le commissioning d'Advanced Virgo. Dans cette thèse les détails du commissioning des contrôles longitudinal et angulaire de l’interféromètre sont présentés. La stabilisation en fréquence est aussi présentée, puisqu'elle joue un rôle très important dans le contrôle de l’interféromètre car étant le bruit dominant. / The first detection of a Gravitational Wave (GW) was done on September 14 th of 2015 by the LIGO-Virgo collaboration with the two LIGO detectors. It was emitted by the merger of a Binary Black Hole, providing the first direct proof of the existence of Black Holes. Advanced Virgo is the upgraded version of the Virgo interferometer and it will join the LIGO detectors in the next months. The passage of a GW on Earth induces a change on the distance between test masses (experiencing only the gravitational interaction) in a differential way. This distance variation is proportional to the amplitude of the GW however the largest displacement observable on Earth will be of the order of 10⁻¹⁹ m/sqrt(Hz). Taking this in account, a Michelson interferometer is the ideal instrument to detect this differential effect. GWs detectors will use suspended mirrors to behave as test masses. The passage of a GW will cause a change on the distance between the mirrors that will spoil the interference condition, allowing some light to leak to the detection photodiode. However, a simple Michelson interferometer does not provide enough sensitivity. For this reason the first generation of detectors added Fabry-Perot cavities in the arms, in order to increase the optical path. A second change was the addition of an extra mirror in order to recycle the light that comes back towards the laser, to increase the effective power, creating a new cavity also known as Power Recycling Cavity (PRC). Its effect is more important when the Michelson is tuned in an optimal way in a dark fringe. All the mirrors of the detector are affected by the seismic noise and so their distance is continuously changing. It is necessary to control the longitudinal and angular position of the cavities in order to keep them at resonance. During my thesis I have studied the control of Advanced Virgo using simulation and during the commissioning itself. First of all I have simulated the control strategy used in Virgo using modal simulations. The aim was to check if the same strategy could be applied to Advanced Virgo or if it needs adaptation. In Advanced Virgo the Fabry-Perot cavities have a higher finesse, which arises new dynamical problems and requires a special control strategy that I have modified to match the commissioning needs. Regarding the PRC, we have studied the impact of its stability on the performance of the interferometer. As it is very close from the instability region, the electrical field inside will be very sensitive to alignment and matching of the laser beam. We have checked using simulations its impact on the longitudinal controls, which can become unstable, and a solution has been validated. Then I have used this information during the commissioning of the Advanced Virgo detector. In this thesis the details of the commissioning of the longitudinal and angular control of the interferometer will be presented. It includes the frequency stabilization, which has a key role in the control of the interferometer, since it is the dominant noise.

Cette thèse présente les résultats de l'analyse all-sky STAMPAS de recherche de signaux transitoires longs d'ondes gravitationnelles, dans les données 2005-2007 des interféromètres LIGO et Virgo. Les ondes gravitationnelles sont des perturbations de la métrique de l'espace-temps, et les expériences Virgo et LIGO sont conçues pour les détecter. Ces expériences sont des interféromètres de Michelson, avec des bras longs respectivement de 3 km et 4 km, dont la luminosité en sortie est modifiée lors du passage d'une onde gravitationnelle.Jusqu'à très récemment, les pipelines de recherche de signaux transitoires se concentraient uniquement sur les signaux courts, qui durent moins d'une seconde, et sur les signaux de coalescence de binaires. STAMPAS est l'un des tout premiers pipelines entièrement dédiés à la recherche de signaux transitoires longs, qui durent d'une à plusieurs centaines de secondes.Ces signaux sont émis, entre autres, par les instabilités qui apparaissent pendant la violente création des proto-étoiles à neutrons. Les instabilités dans les supernovae à effondrement gravitationnel et celles des disques d'accrétion sont également de possibles sources de signaux transitoires longs. Les coalescences de binaires excentriques de trous noirs sont elles aussi censées émettre de puissantes ondes gravitationnelles pendant plusieurs secondes avant leur fusion.STAMPAS est basé sur la corrélation de données issues de deux interféromètres. On construit des cartes temps-fréquence à partir des données, et leurs pixels les plus significatifs sont agrégés et forment les "triggers" (candidats potentiels d'ondes gravitationnelles). Aucune hypothèse sur la provenance, le temps ou la forme des signaux recherchés n'est formulée.La première analyse effectuée avec STAMPAS a été réalisée à partir des données acquises entre 2005 et 2007 par les deux détecteurs LIGO. Après une sélection rigoureuse des "triggers", l'analyse en a révélé un taux proche du bruit Gaussien attendu, ce qui constitue un accomplissement majeur. Aucune onde gravitationnelle n'a été détectée, et nous avons établi des limites hautes sur les taux astrophysiques de plusieurs modèles de sources d'instabilités de disques d'accrétion et de coalescences de binaires excentriques de trous noirs. Le pipeline STAMPAS a montré qu'il sera efficace dans la recherche des signaux transitoires longs d'ondes gravitationnelles lors de la prochaine génération d'interféromètres. / This thesis presents the results of the STAMPAS all-sky search for long transient gravitational waves in the 2005-2007 LIGO-Virgo data. Gravitational waves are perturbations of the space-time metric. The Virgo and LIGO experiments are designed to detect such waves. They are Michelson interferometers with 3 km and 4 km long arms, whose light output is altered during the passage of a gravitational wave.Until very recently, transient gravitational wave search pipelines were focused on short transients, lasting less than 1 second, and on binary coalescence signals. STAMPAS is one of the very first pipelines entirely dedicated to the search of long transient gravitational wave signals, lasting from 1s to O(100s).These signals originate, among other sources, from instabilities in protoneutron stars as a result of their violent birth. The standing accretion shock instability in core collapse supernovae or instabilities in accretion disks are also possible mechanisms for gravitational wave long transients. Eccentric black hole binary coalescences are also expected to emit powerful gravitational waves for several seconds before the final plunge.STAMPAS is based on the correlation of data from two interferometers. Time-frequency maps of the data are extracted, and significant pixels are clustered to form triggers. No assumption on the direction, the time or the form of the signals is made.The first STAMPAS search has been performed on the data from the two LIGO detectors, between 2005 and 2007. After a rigorous trigger selection, the analysis revealed that their rate is close to Gaussian noise expectation, which is a significant achievement. No gravitational wave candidate has been detected, and upper limits on the astrophysical rates of several models of accretion disk instability sources and eccentric black holes binary coalescences have been set. The STAMPAS pipeline demonstrated its capabilities to search for any long transient gravitational wave signals during the advanced detector era.Keywords: Gravitational waves, Interferometry, Long transients, Signal Processing, Accretion Disk Instabilities, Eccentric Black Hole Binaries.

L'ère de l'astronomie gravitationnelle a commencé avec la première détection d'une onde gravitationnelle le 14 septembre 2015, par la collaboration LIGO-Virgo. Les premières détections proviennent de coalescences de trous noirs de quelques dizaines de masses solaires. Le détecteur européen Advanced Virgo a redémarré en 2017 pour participer aux prochaines détections d'ondes gravitationnelles et localiser les sources astrophysiques.Cette thèse a pour sujet les différentes étapes du processus de détection des ondes gravitationnelles : de l'étalonnage du détecteur Advanced Virgo à l'analyse en temps réel des données du réseau d'interféromètres LIGO-Virgo. Dans un premier temps, les objectifs, la méthode et les résultats de l'étalonnage du détecteur Advanced Virgo sont décrits. Cette étape est cruciale pour comprendre la sensibilité du détecteur et pour reconstruire l'amplitude de l'onde gravitationnelle. Un nouvel algorithme, SilenteC, développé pendant la thèse est ensuite détaillé : son objectif est d'identifier les sources de bruits non-stationnaires qui limitent la sensibilité des analyses. Certains bruits transitoires interviennent de façon non-linéaire et SilenteC tente de repérer ce type de contribution. Enfin, l'analyse MBTA à faible latence pour la recherche des signaux d'ondes gravitationnelles issus de coalescences de binaires compactes est décrite. En particulier, l'accent est mis sur la caractérisation de vétos permettant de distinguer les signaux astrophysiques à sélectionner et les bruits transitoires à rejeter le plus efficacement possible. / The era of gravitational astronomy began with the first detection of a gravitational wave on September 14, 2015, by the LIGO-Virgo collaboration. The first detections come from coalescences of black holes with masses of a few tens of solar masses. The European detector Advanced Virgo restarted in 2017 to participate in the next detections of gravitational waves and to locate the astrophysical sources.This thesis deals with the different stages of the gravitational waves detection process: from the calibration of the Advanced Virgo detector to low-latency analysis of the LIGO-Virgo interferometer network data. First, the objectives, method and results of the detector calibration are described. This step is crucial for understanding the sensitivity of the detector and for reconstructing the amplitude of the gravitational wave. A new algorithm, SilenteC, developed during the thesis is then detailed: its objective is to identify the sources of non-stationary noises that limit the sensitivity of the analysis. Some transient noises are non-linear and SilenteC tries to identify this type of contribution. Finally, low-latency MBTA analysis for the detection of gravitational wave signals from compact binary coalescences is described. In particular, emphasis is put on the study of vetos making it possible to distinguish the astrophysical signals to be selected and the transient noises to be rejected as efficiently as possible.

Ce travail est concentré sur l'étude de la cosmologie primordiale et en particulier sur l'étude de l'inflation. Après une introduction sur la théorie standard du Big Bang, nous discutons de la physique du CMB et nous expliquons comment ses observations peuvent être utilisées pour définir des contraintes sur les modèles cosmologiques. Nous introduisons l'inflation et nous expliquons sa réalisation la plus simple. Nous présentons les observables et les contraintes expérimentales qui peuvent être utilisées pour mettre des contraintes sur les modèles d'inflation. La possibilité d'observer des ondes gravitationnelles primordiales (GW) produites au cours de l'inflation est examinée. Nous présentons les raisons pour définir une classification des modèles d'inflation et pour introduire le formalisme de la fonction 13 pour décrire l'inflation. En particulier nous expliquons pourquoi, dans ce cadre, nous pouvons naturellement définir un ensemble de classes d'universalité pour les modèles d'inflation. Les motivations théoriques pour soutenir la formulation de l'inflation en termes de ce formalisme sont présentées. Certains modèles généralisés d'inflation sont introduits et l'extension du formalisme de la fonction (3-formalisme à ces modèles est discutée. Enfin, nous nous concentrons sur l'étude des modèles où l’inflation (qui es assumé être pseudo-scalaire) est couplé non-minimalement à des champs de jauge abéliens qui peuvent être présents lors de l'inflation. L'analyse du problème est effectuée en utilisant une caractérisation de modèles d'inflation sur la base de leur comportement asymptotique. Un large éventail d'aspects théoriques et des conséquences d'observation est discuté. / This work is focused on the study of early time cosmology and in particular on the study of inflation. After an introduction on the standard Big Bang theory, we discuss the physics of CMB and we explain how its observations can be used to set constraints on cosmological models. We introduce inflation and we carry out its simplest realization by presenting the observables and the experimental constraints that can be set on inflationary models. The possibility of observing primordial gravitational wave (GW) produced during inflation is discussed. We present the reasons to deftne a classification of inflationary models and introduce the [3-function formalism for inflation by explaining why in this framework we can naturally define a set of universality classes for inflationary models. Theoretical motivations to support the formulation of inflation in terms of this formalism are presented. Some generalized models of inflation are introduced and the extension of the (3-function formalism for inflation to these models is discussed. Finally we focus on the study of models where the (pseudo-scalar) inflaton is non-minimally coupled to some Abelian gauge fields that can be present during inflation. The analysis of the problem is carried out by using a characterization of inflationary models in terms of their asymptotic behavior. A wide set of theoretical aspects and of observational consequences is discussed.

La première partie de ce document concerne mes activités dans le domaine de la physique des particules auprès des collisionneurs LEP et LHC et la deuxième est dédiée à mon activité plus récente dans le domaine des ondes gravitationnelles avec l'expérience Virgo.<br /><br />Ma thèse a porté sur la mesure de l'un des paramètres (Rl) de la résonance du boson Z à LEP avec l'expérience ALEPH. J'ai ensuite contribué à la mesure et à la combinaison de l'ensemble des paramètres de la résonance du Z ainsi qu'à l'extraction de paramètres du Modèle Standard de physique des particules à partir de ces mesures (masse du boson de Higgs, masse du quark top, constante de couplage fort). <br />En parallèle avec cette activité j'ai participé aux développements et tests du détecteur de pied de gerbe de l'expérience CMS au LHC. Ce détecteur sera particulièrement utile pour la réduction du bruit de fond dans la recherche du boson de Higgs avec sa désintégration en deux photons. Mon travail a principalement consisté à déterminer les performances du détecteur (résolution en énergie) en faisceau test, à effectuer une étude pour son électronique de lecture, et à décrire ce détecteur et la reconstruction des dépôts d'énergie dans le logiciel de reconstruction d'événements de CMS.<br /><br />J'ai ensuite abordé une autre thématique avec la recherche d'ondes gravitationnelles par interférométrie avec l'expérience Virgo. J'ai tout d'abord eu la charge de l'adaptation du système de détection (système optique, électronique de lecture des photodiodes et contrôle de l'ensemble) lors d'un changement de configuration de l'interféromètre. Je me suis ensuite fortement impliquée dans la phase de mise au point de l'interféromètre dont l'un des buts est d'amener l'interféromètre à sa sensibilité nominale. Je contribue essentiellement à cette phase avec: la responsabilité de sa caractérisation optique, la responsabilité du système de détection ainsi que la compréhension des bruits techniques limitant la sensibilité de l'interféromètre. L'étude des bruits techniques a fait l'objet d'une thèse que j'ai co-encadré.

Cette thèse présente quelques applications des théories alternatives de la gravitation relativiste. Nous étudions en particulier le mouvement à deux corps dans une théorie purement scalaire de la gravitation et la production d'ondes gravitationnelles par les systèmes binaires. Nous obtenons nombre de résultats analytiques et numériques relatifs à ce problème. Nous étudions également en détail la théorie MOND (pour \textit{Modified Newtonian Dynamics}) qui cherche à expliquer, en particulier, les courbes de rotation des galaxies en terme d'une modification des lois de la gravitation, et non à l'aide d'un surplus de matière inconnue et invisible, la matière noire. Cela nécessite de recourir à une théorie qui diffère de la relativité générale au moins dans le régime non-relativiste et des champs faibles, ie. qui ne se réduise pas à la théorie de Newton dans cette limite. La construction d'une telle théorie est l'objet d'une partie de cette thèse. Nous présentons quelques modèles alternatifs à la relativité générale susceptibles de rendre compte de la phénoménologie souhaitée, en proposons de nouveaux, et les analysons en détail à la lumière des contraintes les plus importantes que doit satisfaire toute théorie raisonnable : accord avec l'expérience, stabilité, causalité, localité, en plus d'être naturelle. Nous montrons que des problèmes théoriques imposent de modifier significativement la phénoménologie usuelle de MOND, au moins dans les cadres formels les plus usités. Nous proposons également un modèle de l'anomalie Pioneer, et montrons enfin comment expliquer la vitesse d'échappement à la galaxie sans recours à un quelconque halo de matière noire.

Le but de l'expérience VIRGO est la détection des ondes gravitationnelles avec un interféromètre de Michelson ayant des bras de 3 km de long. Avant que l'instrument complet ne soit disponible, la technologie développée pour VIRGO a été testée sur un interféromètre de taille réduite (interféromètre central ou CITF). Celui-ci a permis de recueillir les premières données techniques de l'expérience. L'objet de cette thèse est la calibration des données du CITF. Ce travail inclut des opérations â un niveau local comme l'étalonnage de l'électronique du système de détection et â un niveau global avec la mesure et la caractérisation de la fonction de réponse du détecteur. Celle-ci est ensuite exploitée pour déconvoluer les données recueillies des effets instrumentaux et évaluer ainsi la sensibilité du détecteur. Une procédure de suivi de l'évolution de cette fonction de réponse au cours du temps a été mise en place afin de produire une série temporelle de données reconstruites, c'est â dire affranchies des distorsions expérimentales. La prochaine mise en oeuvre de VIRGO verra l'utilisation d'un système optique de calibration utilisant la pression de radiation d'un faisceau laser pour agir sur les miroirs de l'interféromètre et caractériser la réponse de ce dernier. Un tel système a été conçu et assemblé, et ses performances ont été testées en laboratoire. L'analyse physique succédant â l'étape d'étalonnage a été abordée au travers d'un algorithme de recherche de signaux produits par une coalescence d'étoiles binaires. Celui-ci a été mis â l'épreuve sur des données simulées puis sur les données du CITF, permettant ainsi, d'une part, d'évaluer le niveau de bruit du détecteur et, d'autre part, de vérifier les conséquences de la procédure de reconstruction appliquée aux données.

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