Deux analyses sont présentées dans cette thèse. Une première analyse exploite les données du télescope à neutrino ANTARES pour sonder la présence d'un flux de neutrino diffus galactique. Cette analyse se base sur un modèle récent de propagation des rayons cosmiques dans la galaxie, le modèle KRAγ. Ce modèle prédit un flux de neutrinos particulièrement élevé et proche de la sensibilité des télescopes à neutrinos actuels. Il existe deux versions de ce modèle correspondant à différentes coupures sur l'énergie des rayons cosmiques, à 5 et 50 PeV/nucléon. Une méthode de maximisation d'une fonction de vraisemblance est utilisée pour prendre en compte les caractéristiques du modèle, autant spatiales qu'en énergie. Cette analyse a également été combinée avec les données de l'expérience IceCube dans le but d'exploiter au mieux les données actuelles. Des limites ont été mises sur ce modèle rejetant la version avec une coupure à 50 PeV et limitant la version avec une coupure à 5 PeV à moins de 1,2 fois le flux prédit par le modèle. Une deuxième analyse de suivi du signal d'ondes gravitationnelles GW170817 par le télescope à neutrino ANTARES est également présentée. Le signal d'onde gravitationnelles GW170817 résulte de la coalescence d'une binaire d'étoiles à neutrons. Cette deuxième analyse a pour objectif de sonder la présence d'un flux de neutrinos provenant de cet événement en cherchant des neutrinos corrélés spatialement et temporellement. J'ai pris part à cette analyse en y ajoutant les événement de type cascade. Aucun événement n'a été détecté en corrélation, des limites ont été mises sur le flux de neutrino attendu. / Two analyses are detailed in this thesis. A first analysis exploit the data of the ANTARES neutrino telescope to probe the presence of a Galactic diffuse neutrino flux. This analysis is based on a recent model of cosmic ray propagation in the Galaxy, the KRAγ model. This model predict a neutrino flux particularly high and close to the sensitivity of the current neutrino telescopes. Two versions of this model exist corresponding to different cuts in the cosmic ray energy, one at 5 PeV/nucleon and an other one at 50 PeV/nucleon. A method of maximization of a likelihood function is used in order to account for the model characteristics in energy and space. The analysis has also been combined with the data of the IceCube experiment in order to exploit all the available data. Limits have been put on this model rejecting the version of the model with the 50 PeV cut and limiting the version with the 5 PeV cut to less than 1.2 times the predicted flux.A second analysis of gravitational wave signal follow-up by the ANTARES neutrino telescope is also presented in this work. The GW170817 gravitational wave signal results from the coalescence of a binary neutron star system. This second analysis aims at probing the presence of a neutrino flux coming from this event looking for neutrino events correlated in space and time. I took part to this analysis by adding the shower-like event sample. No event has been detected in correlation, limits have been put on the expected neutrino flux.

Un interféromètre à miroirs suspendus convertit les ondes gravitationnelles, perturbations de la géométrie de l'espace temps, en une variation de temps de vol d'aller-retour de photons entre deux masses inertielles au repos.<br />J'ai réalisé l'asservissement en fréquence du laser pour mesurer ces variations de temps de vol. La stabilité relative de fréquence en boucle du laser est de 1e-21 sur 100 ms ; je montre que le système obtenu respecte les spécifications. J'étudie dans le mémoire les propriétés d'un système où les boucles d'asservissements sont imbriquées.<br />Les cavités optiques résonnantes de l'interféromètre Virgo sont les éléments essentiels de la conversion d'une onde gravitationnelle. J'étudie l'ensemble des propriétés d'un oscillateur Fabry-Perot. Je montre comment elles peuvent être évaluées in situ à partir de mesures des fonctions de transfert utilisées pour leur verrouillage. Les cavités Fabry-Perot sont les oscillateurs de référence. Je fais un état des lieux de l'ensemble des perturbations susceptibles de perturber la stabilité de phase.

Cette thèse s'inscrit dans le cadre de la modélisation des ondes gravitationnelles et du mouvement relativiste associés aux systèmes binaires à grand rapport de masses (Extreme Mass Ratio Inspiral - EMRI). Ces systèmes sont formés d'un trou noir super massif autour duquel gravite un objet compact de masse stellaire. Dans le formalisme de la théorie perturbative des trous noirs, on développe une méthode numérique qui calcule les formes d'ondes produites par une particule ponctuelle en orbite autour d'un trou noir de Schwarzschild. Il s'agit de résoudre l'équation d'onde de Regge-Wheeler-Zerilli dans le domaine temporel dont la solution, invariante de jauge, peut être reliée aux modes de polarisation, à l'énergie et au moment cinétique emporté par les ondes gravitationnelles. En réaction à l'énergie et au moment perdu, la trajectoire de la particule est affectée au cours du temps. Dans le cadre du formalisme de MiSATaQuWa, on calcule la force propre agissant sur une particule, initialement au repos, est en chute libre sur un trou noir de Schwarzschild. Nous montrons comment cette quantité est définie dans la jauge de Regge-Wheeler par le biais de la régularisation mode-sum. L'effet de la force propre sur le mouvement de la particule est ensuite pris en compte de façon itérative et auto-consistante grâce à un algorithme utilisant une méthode d'orbites osculatrices que nous avons développé. Nous quantifions cet effet en calculant soit la déviation orbitale par rapport au mouvement géodésique, soit les formes d'ondes perturbées et l'énergie rayonnée associée.

La première détection des ondes gravitationnelles en 2015 a ouvert un nouveau plan d'étude pour l'astrophysique des étoiles binaires compactes. En utilisant les données des détections faites par les détecteurs terrestres advanced LIGO et advanced Virgo, il est possible de contraindre les paramètres physiques de ces systèmes avec une analyse Bayésienne et ainsi approfondir notre connaissance physique des étoiles binaires compactes. Cependant, pour pouvoir être en mesure d'obtenir de tels résultats, il est essentiel d’avoir des algorithmes performants à la fois pour trouver les signaux de ces ondes gravitationnelles et pour l'estimation de paramètres. Le travail de cette thèse a ainsi été centré autour du développement d’algorithmes performants et adaptées au problème physique à la fois de la détection et de l'estimation des paramètres pour les ondes gravitationnelles. La plus grande partie de ce travail de thèse a ainsi été dédiée à l'implémentation d’un algorithme de type Hamiltonian Monte Carlo adapté à l'estimation de paramètres pour les signaux d’ondes gravitationnelles émises par des binaires compactes formées de deux étoiles à neutrons. L'algorithme développé a été testé sur une sélection de sources et a été capable de fournir de meilleures performances que d'autres algorithmes de type MCMC comme l'algorithme de Metropolis-Hasting et l'algorithme à évolution différentielle. L'implémentation d'un tel algorithme dans les pipelines d’analyse de données de la collaboration pourrait augmenter grandement l'efficacité de l'estimation de paramètres. De plus, il permettrait également de réduire drastiquement le temps de calcul nécessaire, ce qui est un facteur essentiel pour le futur où de nombreuses détections sont attendues. Un autre aspect de ce travail de thèse a été dédié à l'implémentation d'un algorithme de recherche de signaux gravitationnelles pour les binaires compactes monochromatiques qui seront observées par la future mission spatiale LISA. L'algorithme est une mixture de plusieurs algorithmes évolutionnistes, avec notamment l'inclusion d'un algorithme de Particle Swarm Optimisation. Cette algorithme a été testé dans plusieurs cas tests et a été capable de trouver toutes les sources gravitationnelles comprises dans un signal donné. De plus, l'algorithme a également été capable d'identifier des sources sur une bande de fréquence aussi grande que 1 mHz, ce qui n'avait pas été réalisé au moment de cette étude de thèse. / The first detection of gravitational waves in 2015 has opened a new window for the study of the astrophysics of compact binaries. Thanks to the data taken by the ground-based detectors advanced LIGO and advanced Virgo, it is now possible to constrain the physical parameters of compact binaries using a full Bayesian analysis in order to increase our physical knowledge on compact binaries. However, in order to be able to perform such analysis, it is essential to have efficient algorithms both to search for the signals and for parameter estimation. The main part of this thesis has been dedicated to the implementation of a Hamiltonian Monte Carlo algorithm suited for the parameter estimation of gravitational waves emitted by compact binaries composed of neutron stars. The algorithm has been tested on a selection of sources and has been able to produce better performances than other types of MCMC methods such as Metropolis-Hastings and Differential Evolution Monte Carlo. The implementation of the HMC algorithm in the data analysis pipelines of the Ligo/Virgo collaboration could greatly increase the efficiency of parameter estimation. In addition, it could also drastically reduce the computation time associated to the parameter estimation of such sources of gravitational waves, which will be of particular interest in the near future when there will many detections by the ground-based network of gravitational wave detectors. Another aspect of this work was dedicated to the implementation of a search algorithm for gravitational wave signals emitted by monochromatic compact binaries as observed by the space-based detector LISA. The developed algorithm is a mixture of several evolutionary algorithms, including Particle Swarm Optimisation. This algorithm has been tested on several test cases and has been able to find all the sources buried in a signal. Furthermore, the algorithm has been able to find the sources on a band of frequency as large as 1 mHz which wasn’t done at the time of this thesis study

La détection des ondes gravitationnelles par les détecteurs interférométriques terrestres, tels que VIRGO ou LIGO, et par la mission spatiale LISA sera fortement facilitée par la connaissance théorique à priori du signal. On s'intéresse dans cette thèse à l'étude d'une des sources de rayonnement gravitationnel les plus importantes, à savoir les systèmes binaires d'objets compacts. Plus précisément, on considère, dans le cadre de la relativité générale, les dernières orbites de la phase de quasi-équilibre. Elles permettent, d'une part, de fournir des données initiales aussi réalistes que possible pour la phase de coalescence et, d'autre part, d'apporter de nombreuses informations sur les objets compacts émetteurs.<br /><br />Un effort est fait pour améliorer, rendre ces données initiales les plus réalistes possible d'un point de vue astrophysique. Nous avons ainsi construits les premières séquences de binaires d'étoiles de quarks étranges, et ce pour différentes équations d'état. Contrairement au cas d'étoiles à neutrons polytropiques, la séquence se termine par une instabilité dynamique. Nous avons également calculé des configurations de binaires d'étoiles à neutrons à l'aide d'une théorie sans onde allant au delà de l'approximation communément admise de métrique spatiale conformément plate. Les solutions obtenues devraient être plus précises et de meilleures conditions initiales que celles réalisées jusqu'alors. Nous avons enfin étudié, pour des systèmes d'un seul trou noir puis des trous noirs binaires, l'influence de conditions de bords aux horizons provenant du formalisme des horizons isolés et regroupnt des ingrédients de quasi-équilibre.

Le détecteur interférométrique d'ondes gravitationnelles Virgo est en phase de mise au point, il devrait atteindre une sensibilité lui permettant de prendre des données scientifiques dès la deuxième moitié de l'année 2006. La préparation à l'analyse de ces données est en cours et le mémoire traite de plusieurs aspects :<br />- Un environnement d'analyse, VEGA, a été mis au point. Il permet à un utilisateur physicien d'accéder et de gérer les données provenant de Virgo, de développer un code d'analyse spécifique, de disposer d'outils de traitement du signal et de manipuler et visualiser des données dépendantes du temps. L'ensemble est intégré et basé sur ROOT.<br />- Un ensemble de pages web a été développé permettant l'affichage de données de contrôle en quasi temps-réel. Il tire parti de VEGA pour la création des graphiques.<br />- Un algorithme de tessellation d'un espace de paramètres a été développé dans le cadre des recherches de signaux provenant de la coalescence de binaires d'objets compacts (étoiles à neutrons ou trous noirs). Ces recherches utilisent communément des méthodes d'extraction de signal par filtrage optimal qui rendent nécessaire l'utilisation d'un grand nombre de calques (formes d'onde théoriques) dans un espace de paramètres. La tessellation de cet espace détermine les calques qui seront utilisés. Le mémoire traite également des performances de l'algorithme observées lors de son utilisation dans la collaboration Virgo, ainsi que ses possibles extensions.

La détection directe des ondes gravitationnelles par de grands détecteurs interférométriques<br />fait l'objet d'un effort international très intense. Au delà des signaux recherchés par ces détecteurs, l'existence<br />de fonds d'ondes gravitationnelles s'étalant sur une large plage de fréquences est prédite par les modèles<br />astrophysiques et cosmologiques décrivant l'Univers. Ces fonds d'ondes gravitationnelles sont un élément important<br />de notre environnement gravitationnel. Dans cette thèse, on étudie leur effet sur les propriétés de cohérence des<br />systèmes physiques. Cette interaction est à l'origine d'une décohérence que l'on étudie théoriquement à l'aide de<br />la fonctionnelle d'influence de Feynman-Vernon. L'effet est petit pour des systèmes microscopiques comme des atomes<br />ou des photons circulant dans des interféromètres, mais il devient dominant pour les systèmes macroscopiques comme<br />par exemple le mouvement du centre de masse de la Lune. Au vu de ces résultats, il est important de se demander si<br />cette décohérence gravitationnelle pourrait être mise en évidence expérimentalement à l'aide par exemple d'un<br />système mésoscopique dont on pourrait suivre la perte de cohérence. Cette question correspond à un modèle<br />complètement calculable de transition classique-quantique induite par les fluctuations intrinsèques de<br />l'espace-temps.

VIRGO est un détecteur d'ondes gravitationnelles basé sur un interférom etre de Michelson<br />ayant des bras de 3 km de long. Cette thèse porte sur l'étude du système qui, en<br />mesurant la puissance du faisceau transmis par l'interféromètre, détecte le passage d'une<br />onde gravitationnelle.<br /><br /><br />Grâce à une simulation du détecteur, on montre que le filtrage du faisceau avec une<br />cavité optique permet d'améliorer la sensibilité de l'interféromètre. Les performances du<br />filtrage optique de cette cavité sont ensuite mesurées grâce à un interféromètre de test.<br />Un système de contrôle automatique de la longueur de la cavité est enfin présenté. Il est<br />basé sur l'analyse, grâce à une caméra CCD, de la forme du faisceau.<br /><br /><br />Le système de lecture du faisceau est ensuite étudié pour gérer la dynamique du signal<br />sans dégrader la sensibilité du détecteur. On définit en particulier la mise en forme du<br />signal venant de chaque photodiode avant sa numérisation. Une procédure de calibration<br />permettant de mesurer et de corriger en ligne les dispersions entre les canaux de lectures<br />est présentée.<br /><br /><br />La mesure du bruit du système de lecture permet d'estimer sa contribution à la sensibilité<br />du détecteur. Un algorithme de recherche de signaux produit par une coalescence<br />d'étoiles binaires est mis en place. Il est ensuite utilisé pour étudier l'influence du bruit<br />du système de détection dans ce type de recherche.

NIL

Les pulsars sont une des sources d'ondes gravitationnelles attendues pour les interféromètres terrestres. Dans la gamme de fréquences où la sensibilité sera suffisamment bonne pour espérer une détection typiquement au-dessus de 10 Hz , la majorité des pulsars appartient à un système binaire. La fréquence des ondes gravitationnelles émises par un pulsar en système binaire subit plusieurs effets Doppler : celui dû à la rotation de la Terre sur elle-même, celui dû à la révolution de la Terre autour du Soleil, et celui dû à l'orbite du pulsar autour de son compagnon. <br> Cette thèse présente le contrôle du système de synchronisation de Virgo, la simulation du signal émis par les pulsars en système binaire et deux méthodes adaptées à la recherche de tels objets. Les principes de ces méthodes, les puissances de calcul nécessaires et les performances sont détaillés.