Gamma-ray bursts (GRBs) are short, intense flashes of 0.1-1 MeV electromagnetic radiation that are routinely observed by Earth orbiting satellites. The sources of GRBs are known to be extragalacitic and located at cosmological distances. Due to the extremely high isotropic equivalent energies of GRBs, which are on the order of Eiso~1054 erg, the gamma-ray emission is believed to be collimated, making them observable only when they are directed towards Earth. The favored progenitor models of GRBs are also believed to emit gravitational waves that would be observable by the current generation of ground-based interferometric gravitational wave detectors. The LIGO (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory) and Virgo instruments operated near design sensitivity and collected more than a year of triple coincident data during the S5/VSR1 science run, which spanned the two year interval between November 2005 and October 2007. During this time, GRB detections were being made by the NASA/Goddard Swift Burst Alert Telescope at a rate of approximately 0.3 per day, producing a collection of triggers that has since been used in a coincident GRB-GW burst search with data from the LIGO-Virgo interferometer network. This dissertation describes the search for gravitational waves using the times and locations of 123 below-threshold potential GRB triggers from Swift over the same time period. Although most of the below-threshold triggers are likely false alarms, there is reason to believe that some are the result of actual faintly-observed GRB events. Recent GRB observations indicate that the local rate of low-luminosity GRBs is much higher than previously believed. This result, combined with the possibility of discovering a rare nearby GRB event accompanied by gravitational waves, is what motivates this search. The analysis results indicate no evidence for gravitational waves associated with any of the below-threshold triggers. A median distance lower limit of ~16 Mpc was derived for a typical neutron star-black hole coalescence progenitor assumption.

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This is an exciting time for Gravitational Wave (GW) theory and observations. From a theoretical standpoint, the grand-challenge problem of the full evolution of a Binary Black Hole (BBH) system has been solved numerically, and a variety of source simulations are made available steadfastly. On the observational side, the first generation of state-of-the-art GW detectors, LIGO and Virgo, have achieved their design goal, collected data and provided astrophysically meaningful limits. The second generation of detectors are expected to start running by 2015. Inspired by this zeitgeist, this thesis focuses on the detection of potential GW signatures from the coalescence of BBH in ground-based laser interferometers. The LIGO Scientific Collaboration has implemented different algorithms to search for transient GW signatures, targeting different portions of the BBH coalescence waveform. This thesis has used the existing algorithms to study the detection potential of GW from colliding BBH in LIGO in a wide range of source parameters, such as mass and spin of the black holes, using a sample of data from the last two months of the S5 LIGO science run (14 Aug 2007 to 30 Sept 2007). This thesis also uses numerical relativity waveforms made available via the Numerical INJection Analysis project (NINJA). Methods such as the Chirplet based analysis and the use of multivariate classifiers to optimize burst search algorithms have been introduced in this thesis. These performance studies over a wide parameter space were designed to optimize the discovery potential of ground-based GW detectors and defining strategies for the search of BBH signatures in advanced LIGO data, as a step towards the realization of GW astronomy

En cette fin d'année 2015, la construction de la 2e génération de détecteurs d'ondes gravitationnelles s'achève. Il s'agit des grands interféromètres de Michelson, dont les bras mesurent 3 km de long (Advanced Virgo) et 4 km de long (Advanced LIGO). Les ondes gravitationnelles, prédites par Einstein en 1916 dans sa théorie de la Relativité Générale n'ont pas été détectées de façon directe par la 1ère génération d'interféromètres. Mais aujourd'hui, la sensibilité a été augmentée d'un ordre de grandeur et le 100ème anniversaire de la théorie d'Einstein pourrait bien ouvrir officiellement l'ère de l'astronomie gravitationnelle. Si la sensibilité des nouveaux interféromètres est désormais exceptionnelle, c'est grâce aux avancées techniques et technologiques, et notamment grâce aux nouveaux miroirs des cavités Fabry-Pérot installés dans les bras de l'interféromètre. Cette thèse présente la conception, le développement et la caractérisation de ses miroirs aux qualités exceptionnelles. Elle s'intéresse aux pertes de lumière diffusée dans les cavités, pertes de diffusion générées par l'état de surface des miroirs et par les défauts d'uniformité des dépôts des couches minces à haute réflectivité. En étudiant la planéité des surfaces, nous verrons comment les modifications techniques du procédé de dépôt IBS ont permis d'améliorer la courbure et la planéité des surfaces. Nous verrons comment nous avons caractérisé ces surfaces avec l'interféromètre de Fizeau à décalage de longueur d'ondes. Nous montrerons enfin comment nous avons atteint les spécifications prévues lors de la conception des miroirs, diminuant les pertes de lumière diffusée dans les cavités Fabry-Pérot à un niveau encore inégalé de seulement quelques dizaines de ppm / In the year of 2015 the construction of the 2nd generation of detectors devoted to gravitational waves is going to be completed. These are large laser Michelson interferometers with arm respectively 3 km (Advanced Virgo) and 4 km (Advanced LIGO) in length. The gravitational waves, predicted by Einstein in 1916 within his theory of general relativity, have not been observed by the first generation of detectors. However, interferometers are now on the way of being ten times more sensitive than before, and so, on the 100th anniversary of the establishment of general relativity, the era of gravitational wave astronomy can start. If laser interferometer will be able to reach unprecedented sensitivity, it is thanks to new technological developments. In particular the new state of the art mirrors installed in the interferometer arms have exceptional performances. This thesis details the design, the development and the characterization of these remarkable large mirrors. My work will deal with the cavity optical loss due to the diffused light itself linked to the mirrors surface quality and to the high reflectivity coating uniformity. By studying the surface flatness, we will understand how it could be influenced by the deposition technique implemented in the coating machine. We will see also how to measure the mirror surfaces by wavelength shifting Fizeau interferometer. Finally, we will detail how we proceeded in order to reach the tight specifications for the mirrors, with in the end only tens of ppm for the cavity round trip losses

Le détecteur d'ondes gravitationnelles Virgo traverse actuellement sa phase de mise en route, ou commissionning , qui précède la recherche de sources astrophysiques, à laquelle il est destiné. Le travail décrit dans cette thèse s'est concentré sur la préparation de méthodes d'analyses des données, et sur leur application à des prises de données effectuées au cours de la progression du détecteur. Ces méthodes sont donc décrites ainsi que leur validation et les résultats obtenus sur les données.<br /><br />La première partie de cette analyse concerne la réponse du détecteur aux ondes gravitationnelles. D'abord, la procédure d'étalonnage consiste à mesurer cette réponse, pour en déduire la sensibilité du détecteur aux différentes fréquences ; elle a permis de suivre l'évolution de Virgo sur les deux dernières années. Elle est suivie de la reconstruction du signal gravitationnel, processus qui compense les effets de cette réponse sur les données et en soustrait certains bruits.<br /><br />La deuxième partie concerne la recherche de signaux de coalescences binaires dans les données reconstruites. La méthode étudiée est une implémentation alternative - recherche multi-bandes ou multi-band template analysis- de la méthode optimale, la mise en oeuvre de cette dernière étant limitée par les moyens de calculs. L'équivalence de cette implémentation alternative avec la méthode usuelle est vérifiée, grâce à des tests en simulation. La méthode est ensuite appliquée aux deux prises de données les plus récentes, avec le double objectif de se préparer aux futures recherches astrophysiques et de caractériser le fonctionnement actuel du détecteur. La préparation des futures analyses en collaboration avec l'expérience LIGO est abordée enfin, sous la forme d'une première comparaison quantitative des chaînes d'analyses pour la recherche de coalescences binaires des deux expériences.

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.

La sensibilité des détecteurs d’ondes gravitationnelles de LIGO (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory) est limité par les fluctuations thermiques dues à la dissipation mécanique dans les couches de Ta2O5 amorphe, qui est une composante des miroirs des interféromètres. Le paramètre d’angle de perte ( ) permet de quantifié l’ampleur de la dissipation et est obtenu en étudiant l’absorption d’énergie mécanique par la couche de matériau. Ce paramètre est généralement caractérisé expérimentalement à des fréquences d’excitations allant de 1-30 KHz près de celle qui nous intéresse pour la détection d’onde gravitationnelle (10-100 Hz) et par des simulations de dynamique moléculaire pour des fréquences très élevées (GHz). Notre recherche vise à caractériser l’angle de perte pour ce matériau pour des fréquences intermédiaires, soit dans la gamme des MHz. Afin d’obtenir une meilleure précision sur les résultats, on utilise les ondes acoustiques de surface qui donne un plus grand poids à la couche mince lors du calcul de l’angle de perte. Deux méthodes sont utilisées pour tenter d’obtenir l’angle de perte des couches ( c) de Ta2O5 de 1 μm déposées sur des substrats, d’une part, composé de SiO2 B270 d’épaisseur 2 mm, et d’autre part, de LiNbO3 d’épaisseur 1 mm. La première se fait à l’aide d’un transmetteur piézoélectrique amovible qui génère les ondes de surface et d’un vibromètre laser qui détecte l’amplitude des vibrations à différentes positions sur l’échantillon. Malgré un précision limitée, il est possible d’obtenir l’angle de perte des couches minces à une fréquence d’excitation de 9.08 MHz. Les résultats les plus fiables de c sont dans l’intervalle 2−7×10−2 avec des incertitudes de 1−3×10−2, ce qui représente de 15 à 50% des valeurs selon le cas. On obtient donc des résultats plus élevés que ce qui est attendu pour cette gamme de fréquence, même avec une précision limitée, ce qui nous porte à penser que certains mécanismes peuvent affecter l’angle de perte à plus hautes fréquences. Pour la deuxième méthode, on place directement sur l’échantillon des transmetteurs interdigitaux qui servent à la fois d’émetteur et de récepteur et une cavité résonante qui permet de contenir les ondes d’une certaine longueur d’onde sur l’échantillon. Les fréquences d’excitations des ondes de surface générés sont de 19.89 MHz et 33.15 MHz. Nos échantillons ne nous permettent pas de calculer c, mais la technique de mesure nous permet d’avoir une précision au moins plus élevée que la première méthode soit 1 × 10−2 pour un échantillon et 4 × 10−3 pour l’autre. On peut facilement améliorer la méthode, notamment en augmentant la réflectivité de la cavité résonante, ce qui permettrait d’obtenir des résultats précis avec des échantillons qui comprennent la couche mince. / Limitations to the sensitivity of LIGO’s (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory) gravitational wave detectors is due to thermal fluctation induced by mechanical dissipation in the amorphous Ta2O5 thin films composing the interferometer’s mirrors. The loss angle parameter ( ) describes the magnitude of the dissipation that occurs in the material and is obtained by studying the mechanical energy absorption of the thin film. This parameter is usually measured for a range of frequencies going from 1 to 30 KHz, which is near the expected frequencies for gravitational wave detection (10-100 Hz). Molecular dynamics simulations also calculate the loss angle for very high frequencies (GHz). Our research aim to caracterise the loss angle of Ta2O5 thin films in the MHz mid-range frequencies. We use surface acoustic waves for the thin film to have a greater weight in the caculation of the loss angle to help us get a higher precision. Two methods are used to obtain the loss angle of the film ( c) of Ta2O5 (1 μm thick) which, for the first method, is deposited on a 2 mm thick SiO2 B270 substrates, and, for the second method, on a 1mm thick LiNbO3 substrates. The first one uses a movable piezoelectric transducer that generates the surface waves and a laser vibrometer to mesure the amplitude of the vibration along the sample. Though the precision is not very good, we were able to calculate the loss angle of thin films for a surface wave frequency of 9.08 MHz. The best results for c are within the range of 2 − 7 × 10−2 with uncertainties ranging from 1−3×10−2, which represent 15 to 50% of values by case. We get higher loss angles than what was expected for this frequency range, even with a low precision, so we suspect that some loss mechanisms might affect the loss angle at higher frequency. The second method uses a resonator that is place directly on the samples with interdigital transducers that generate the surface waves and acoustical mirrors that form the resonator (acoustical cavity). Wave are excited at two different frequencies, 19.89 MHz and 33.15 MHz, and are contained in the resonator to study their propagation on the sample. Althouth we do not have c results for coated sample, we were able to evaluate the precision of such measuments and we have uncertainties of 1 × 10−2 for a sample and 4 × 10−3 for the other. The samples used with this method could easily be improve, by increasing the reflecitvity of the resonator mirrors, to obtain a higher precision and get better results for sample coated with a thin film.

This thesis presents work around 3 themes: dark energy, gravitational waves and Bayesian inference. Both dark energy and gravitational wave physics are not yet well constrained. They present interesting challenges for Bayesian inference, which attempts to quantify our knowledge of the universe given our astrophysical data. A dark energy equation of state reconstruction analysis finds that the data favours the vacuum dark energy equation of state $w {=} -1$ model. Deviations from vacuum dark energy are shown to favour the super-negative ‘phantom’ dark energy regime of $w {< } -1$, but at low statistical significance. The constraining power of various datasets is quantified, finding that data constraints peak around redshift $z = 0.2$ due to baryonic acoustic oscillation and supernovae data constraints, whilst cosmic microwave background radiation and Lyman-$\alpha$ forest constraints are less significant. Specific models with a conformal time symmetry in the Friedmann equation and with an additional dark energy component are tested and shown to be competitive to the vacuum dark energy model by Bayesian model selection analysis: that they are not ruled out is believed to be largely due to poor data quality for deciding between existing models. Recent detections of gravitational waves by the LIGO collaboration enable the first gravitational wave tests of general relativity. An existing test in the literature is used and sped up significantly by a novel method developed in this thesis. The test computes posterior odds ratios, and the new method is shown to compute these accurately and efficiently. Compared to computing evidences, the method presented provides an approximate 100 times reduction in the number of likelihood calculations required to compute evidences at a given accuracy. Further testing may identify a significant advance in Bayesian model selection using nested sampling, as the method is completely general and straightforward to implement. We note that efficiency gains are not guaranteed and may be problem specific: further research is needed.