L'étude du fond diffus cosmologique (CMB) permet de contraindre la quasi totalité des paramètres du modèle du Big Bang avec une grande précision et offre des informations uniques sur l'Univers primordial et la physique des hautes énergies. Dans le cadre de la préparation du satellite PLANCK dédié à cette observable, l'expérience ballon ARCHEOPS, en parallèle à la cartographie des anisotropies de température du CMB sur une vaste fraction du ciel, était équipée de bolomètres sensibles à la polarisation.<br> Après une présentation des méthodes alternatives d'estimation des paramètres cosmologiques, la première partie de cette thèse décrit la physique du CMB et de sa polarisation. La senconde partie décrit l'analyse des données polarisées d'ARCHEOPS, montre la première détection de la polarisation de l'émission diffuse de la poussière galactique qui sera l'avant-plan majeur pour PLANCK-HFI, et conclut par les perspectives de détection des ondes gravitationnelles primordiales par ce satellite.

Le détecteur d'ondes gravitationnelles Virgo est un interféromètre laser pourvu de bras d'une longueur de trois kilomètres. Ce détecteur a atteint une sensibilité qui permet depuis mai 2007 de mener une première prise de données scientifiques en réseau avec les autres interféromètres mondiaux. Parmi les sources d'ondes gravitationnelles prometteuses pour ce réseau figurent les coalescences de systèmes binaires d'astres compacts. La connaissance théorique solide du rayonnement gravitationnel émis par ces sources permet d'envisager, malgré l'amplitude faible des signaux recherchés, une méthode de recherche performante. A partir de calques décrivant le rayonnement émis, on peut en effet filtrer les données pour en extraire un signal physique éventuellement présent et "noyé" dans le bruit du détecteur. Le travail présenté dans cette thèse s'intéresse à différents aspects de cette recherche.<br /><br />La sensibilité actuelle du détecteur a été atteinte après une période de mise en route de l'interféromètre marquée par différentes campagnes de prises de données. L'analyse dans le contexte d'une recherche de systèmes binaires d'étoiles à neutrons des données recueillies depuis août 2005 s'est concentrée sur la notion de qualité de données et a conduit à développer des méthodes d'exclusion d'événements liés à un fonctionnement anormalement bruyant de l'interféromètre. La compréhension de ces sources de bruit a parfois permis d'en améliorer le fonctionnement.<br /><br />La méthode d'analyse utilisée pour la recherche de systèmes binaires d'étoiles à neutrons peut s'avérer mal adaptée au cas de systèmes binaires plus massifs comportant un ou deux trous noirs. Après avoir clarifié ce point, nous envisageons dans le contexte du détecteur Virgo fonctionnant à sensibilité nominale différentes solutions pour une recherche performante de tels systèmes. Il s'agit d'une part de l'utilisation d'une famille de calques de détection, dont on confirme les performances. D'autre part, on s'intéresse à l'utilisation de calques spécifiquement adaptés à la description de l'évolution de systèmes binaires de trous noirs. Certains aspects techniques nécessaires à la mise en oeuvre d'une recherche utilisant ces solutions sont discutés. <br /><br />Enfin, le dernier aspect de la recherche de systèmes binaires abordé concerne l'analyse en réseau des données recueillies par les différents détecteurs mondiaux. En utilisant des données simulées, on montre que la définition d'un nouveau temps de référence pour les événements de coalescences permet d'améliorer la précision de reconstruction de la position des sources binaires.

Le détecteur Virgo est constitué d'un interféromètre de Michelson avec des cavités Fabry-Perot de 3 km de long dans les bras et utilise la technique du recyclage de la puissance. Il a pour but la détection directe des ondes gravitationnelles émises par des sources astrophysiques. Le système d'injection Virgo est constitué essentiellement d'une cavité triangulaire de 144 m appelée le mode cleaner, son rôle est de filtrer et de contrôler le faisceau d'entrée. Le miroir suspendu de la cavité est très léger (360 g) ce qui peut le rendre sensible à la pression des photons. J'ai développé des programmes de simulations pour une cavité triangulaire avec tous les contrôles identiques au mode cleaner de Virgo réel. Ces programmes peuvent être utilisés pour d'autres études. Une partie de la thèse est consacrée à<br />voir les effets de la pression de radiation sur le verrouillage longitudinal de la cavité, les effets du ressort optique angulaire etc. Dans une autre partie de la thèse j'observe les effets de la pression de radiation dans les bras de Virgo et l'existence des effets du ressort optique sur les degrés angulaires qui n'empêchent pas le bon fonctionnement de l'alignement. Enfin, je décris ma participation dans la recette de Virgo, qui consiste essentiellement à travailler sur les contrôles du système d'injection et leurs optimisations.

Nous présentons une expérience de mesure optique ultrasensible de petits déplacements d'un miroir. Grâce à l'utilisation d'une cavité Fabry-Perot de très grande finesse, nous avons atteint une sensibilité de 10-20 m.Hz-1/2 sur une plage de plusieurs centaines de kilohertz.<br /><br />Notre montage permet de mener une étude approfondie des sources de bruit dans une mesure optique et des limites de sensibilité associées. Nous nous intéressons en particulier au couplage optomécanique résultant de l'action réciproque entre la lumière et un miroir mobile. Par l'intermédiaire de la force de pression de radiation, les fluctuations quantiques d'intensité du faisceau génèrent un bruit de position supplémentaire du miroir. Ce bruit constitue l'action en retour de la mesure de position et entraîne l'existence de limites quantiques de sensibilité.<br /><br />Parmi les améliorations réalisées sur le montage, nous avons mis en place un système de double injection de faisceaux laser dans la cavité afin d'étudier les effets quantiques du couplage optomécanique. Nous avons mis en évidence une suppression de l'action en retour de la mesure par interférence destructive entre les réponses des deux miroirs formant la cavité. Nous discutons des applications potentielles de cet effet afin d'améliorer la sensibilité des mesures optiques, notamment pour les détecteurs doublement résonnants d'ondes gravitationnelles.

Ce mémoire présente principalement mes activités dans l'expérience Virgo de recherche d'ondes gravitationnelles.<br />Je rappelle cependant dans une courte introduction mes activités dans l'expérience NOMAD et je dresse, dans un premier chapitre,<br />un état des lieux sur la détection des neutrinos. Je décris ensuite, au chapitre 2, l'état actuel de la détection<br />interférométrique des ondes gravitationnelles. Le troisième chapitre, consacré à l'expérience Virgo, est suivi de<br />trois chapitres décrivant les domaines où j'ai apporté une contribution notable à l'expérience : le système d'acquisition<br />de données, la surveillance en ligne du détecteur et la recherche de bruits transitoires dans les données. Enfin,<br />le dernier chapitre, plus général, fait le bilan de mes activités de diffusion de la culture scientifique auprès<br />du grand public et auprès des scolaires.<br /><br />Virgo est un interféromètre de 3 km de long destiné à la détection des ondes gravitationnelles d'origine astrophysique.<br />Ces ondes sont des déformations de l'espace-temps prédites par la relativité générale. Elles provoquent sur Terre<br />d'infimes modifications des distances théoriquement détectables par interférométrie.<br /><br />J'ai contribué à la construction et à la mise en route (commissioning) de l'interféromètre Virgo, depuis 1997,<br />en participant à la conception, à la mise en place puis à l'amélioration de l'acquisition de données.<br />J'ai notamment créé le collecteur de données et fortement contribué au développement de la librairie<br />qui gère le transfert des données au format " frame " dans la chaîne d'acquisition. Cette librairie a permis<br />une grande souplesse des reconfigurations de l'acquisition de données ou des traitements en ligne tout<br />au long du commissioning de Virgo. L'acquisition de données soutient actuellement un flux d'environ 20 MBytes/s<br />(8 MBytes/s après compression) avec une latence moyenne de 2 secondes et une perte de données inférieure à 0.3%.<br /><br />J'ai d'autre part créé un logiciel, le dataDisplay, qui permet de lire les données en ligne ou en différé,<br />de visualiser divers graphiques (données en fonction du temps, spectre, fonction de cohérence, fonction de transfert,<br />distributions 1D ou 2D, spectrogrammes, etc...) et d'écouter les données. Ce logiciel utilise une interface graphique<br />générée par la librairie Xforms et une visualisation basée sur la librairie Root développée au CERN. Le dataDisplay<br />est aujourd'hui utilisé de façon standard par la collaboration Virgo, que ce soit en salle de contrôle pour la<br />surveillance en ligne du détecteur ou en différé pour l'analyse des données enregistrées.<br /><br />Je participe également à la mise en place de la qualification des données du détecteur Virgo, en fournissant notamment<br />les outils logiciels qui permettent de configurer de façon simple les algorithmes de surveillance en ligne du<br />détecteur et de son environnement. De plus, je contribue à la recherche de bruits transitoires (glitches) et j'ai<br />la responsabilité de la mise en lignes des algorithmes d'étude du bruit du détecteur. Ce travail est motivé par<br />le fait que la compréhension du détecteur est un préliminaire nécessaire à toute future recherche d'ondes gravitationnelles.<br /><br />Enfin, depuis de nombreuses années je me suis intéressé à la diffusion de la culture scientifique, et j'ai été, de 2002 à 2007,<br />chargé de communication au LAPP. Dans ce cadre, j'ai établi des contacts avec les établissements scolaires, les structures<br />associatives ou les collectivités locales afin de promouvoir la curiosité pour les sciences et la démarche scientifique.<br />Par divers moyens (conférences dans les lycées, organisation de visites de classes au LAPP s'appuyant sur la mise en place<br />d'une exposition permanente, conférences grand public, participation aux Portes Ouvertes du laboratoire, création de pages web...),<br />j'ai tenté d'intéresser le jeune public aux sciences, de faire comprendre ce qu'est la recherche scientifique et de montrer<br />quels sont ses liens avec la vie quotidienne.

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 laRelativité Générale. Elles sont des perturbations de l’espace-temps que lon essaie de mettre en évidence parinterférométrie laser. Plus précisément les détecteurs sont des interféromètres de Michelson de plusieurs kmde long combinés avec des cavités Fabry-Perot afin d'augmenter la sensibilité de linstrument. La premièregénération de détecteurs (Virgo, LIGO, GEO) n’a pas permis d’obtenir une détection directe malgré plusieursphases d’observations en coïncidence à la sensibilité prévue. Une seconde g´enération de détecteurs estactuellement en préparation avec notamment le projet européen Advanced Virgo. Ce détecteur devraitavoir une sensibilité améliorée d’un ordre de grandeur par rapport à linterféromètre Virgo. Les miroirs del’interféromètre jouent un rôle primordial dans la sensibilité d’Advanced Virgo puisque celle-ci est limitéeà dans les fréquences médianes par le bruit thermique des miroirs et aux hautes fréquences par la quantitéde photons que lon arrive à collecter dans les cavités de linterféromètre. La haute puissance contenue dansles cavités Fabry-Perot induit des effets de lentille thermique importants. Cette thèse s’intéresse dans unpremier temps aux effets de lentille thermique dans linterféromètre pour différentes configurations optiques.Par la suite, nous nous intéresserons aux miroirs qui composent les cavités Fabry-Perot depuis la définitiondes besoins en termes de planéité à la réalisation de cette planéité et à sa mesure. La planéité de ces miroirsdoit être sub-nanométrique de faon à limiter les pertes optiques dans les cavités Fabry-Perot et ainsi r´eduireles effets du bruit de photons et de la lumière diffusée. Nous verrons la réalisation de la correction de laplanéité des substrats par la technique dite du traitement correctif. Nous étudierons aussi l’uniformité dudépôt des couches minces diélectriques nécessaires à l’obtention de surface hautement réfléchissante avec enparticulier l’étude du mouvement planétaire des substrats dans la machine de dépôts. / Gravitational waves have been predicted by Einstein in his General Relativity theory. Theyare perturbation of the space-time metric and we try to reveal them by laser interferometry. More precisely,gravitational wave detectors are km long Michelson interferometers combined with Fabry-Perot cavities.The network of first generation detectors (Virgo, LIGO, GEO) did not permit a direct detection afterseveral observational runs in coincidence at the nominal sensitivity. A second generation of detectors is inpreparation with in particular the European project Advanced Virgo. This detector should have a sensitivityincreased by an order of magnitude compared to Virgo. The interferometer mirrors play a crucial role inthe Advanced Virgo sensitivity as it is limited by the mirror thermal noise in the mid-frequency regionand by the amount of photons collected in the interferometer cavities at high frequencies. The high powercirculating in the Fabry-Perot cavities induces important thermal lensing effect. This thesis is interestedfirst in the thermal lensing effect in the interferometer for different optical configurations. Then we areinterested in the mirrors composing the Fabry-Perot arm cavity from the calculation of the requirements interms of flatness to the realization of the mirrors flatness and its measurement. The mirror flatness shouldbe sub-nanometric in order to limit the optical losses in the Fabry-Perot cavities to reduce the effect of theshot noise and of the diffused light. We will see the correction of the substrates flatness by the so-calledcorrective coating technique. Finally, we study the uniformity of the dielectric multilayer coating depositionnecessary to obtained high-reflective mirrors. We study in particular the planetary motion of the substratesin the coating machine.

Virgo est un interféromètre de Michelson dont les bras contiennent des cavités Fabry-Perot. Il a été construit pour détecter directement les ondes gravitationnelles. Le projet Advanced Virgo est une amélioration majeure de Virgo pour atteindre une sensibilité encore plus élevée avec laquelle la détection des ondes gravitationnelles deviendra probable. On prévoit un système laser mono-fréquence de 175 Watts de puissance optique présentant des stabilités accrues pour le bruit relatif de puissance et pour le bruit de fréquence. Ce travail de thèse a pour objet la réalisation de ce système laser de haute-puissance et de haute-stabilité basée sur l'utilisation d'amplificateurs à fibre combinés de façon cohérente. Des amplificateurs à fibre disponibles dans le commerce sont caractérisés en termes de qualité de faisceau, de bruit de puissance, de bruit de fréquence, de stabilité de pointé du faisceau, et également en terme de stabilité à long terme sur quelques milliers d'heures. On implémente l'interférométrie de Mach-Zehnder pour la combinaison cohérente de faisceaux. Les techniques de caractérisation de faisceaux laser sont aussi développées en considérant leurs limites ultimes. Hormis un déficit de puissance optique, le système laser développé dans cette étude sur la base de la combinaison cohérente de Master Oscillator Fiber Power Amplifiers, remplit les conditions posées par Advanced Virgo. / Virgo is a cavity-enhanced Michelson interferometer built for the direct detection of gravitational waves. The Advanced Virgo project consists of major upgrades to the Virgo gravitational wave detector for an order of magnitude improvement in differential strain sensitivity, one of which is the tenfold increase in injected laser power to 175 Watts. The use of fiber laser amplifiers and their coherent combination are foreseen to deliver the required high-power low-noise beam. In this thesis work, we review the laser requirements for gravitational wave detectors, introduce the design of the laser system for Advanced Virgo, and develop the means for laser characterization in accordance with the stringent noise specifications. We then present the results to date, notably the quasi-continuous long-term operation of two 40-Watt fiber laser amplifiers over thousands of hours and their coherent combination with Mach-Zehnder interferometry. Although the targeted power for Advanced Virgo is not yet attained, the developed system shows decent noise performance and is promising for further power-scaling efforts.

Les signaux bivariés apparaissent dans de nombreuses applications (optique, sismologie, océanographie, EEG, etc.) dès lors que l'analyse jointe de deux signaux réels est nécessaire. Les signaux bivariés simples ont une interprétation naturelle sous la forme d'une ellipse dont les propriétés (taille, forme, orientation) peuvent évoluer dans le temps. Cette propriété géométrique correspondant à la notion de polarisation en physique est fondamentale pour la compréhension et l'analyse des signaux bivariés. Les approches existantes n'apportent cependant pas de description directe des signaux bivariés ou des opérations de filtrage en termes de polarisation. Cette thèse répond à cette limitation par l'introduction d'une nouvelle approche générique pour l'analyse et le filtrage des signaux bivariés. Celle-ci repose sur deux ingrédients essentiels : (i) le plongement naturel des signaux bivariés -- vus comme signaux à valeurs complexes -- dans le corps des quaternions H et (ii) la définition d'une transformée de Fourier quaternionique associée pour une représentation spectrale interprétable de ces signaux. L'approche proposée permet de définir les outils de traitement de signal usuels tels que la notion de densité spectrale, de filtrage linéaire ou encore de spectrogramme ayant une interprétation directe en termes d'attributs de polarisation. Nous montrons la validité de l'approche grâce à des garanties mathématiques et une implémentation numériquement efficace des outils proposés. Diverses expériences numériques illustrent l'approche. En particulier, nous démontrons son potentiel pour la caractérisation de la polarisation des ondes gravitationnelles. / Bivariate signals appear in a broad range of applications (optics, seismology, oceanography, EEG, etc.) where the joint analysis of two real-valued signals is required. Simple bivariate signals take the form of an ellipse, whose properties (size, shape, orientation) may evolve with time. This geometric feature of bivariate signals has a natural physical interpretation called polarization. This notion is fundamental to the analysis and understanding of bivariate signals. However, existing approaches do not provide straightforward descriptions of bivariate signals or filtering operations in terms of polarization or ellipse properties. To this purpose, this thesis introduces a new and generic approach for the analysis and filtering of bivariate signals. It essentially relies on two key ingredients: (i) the natural embedding of bivariate signals -- viewed as complex-valued signals -- into the set of quaternions H and (ii) the definition of a dedicated quaternion Fourier transform to enable a meaningful spectral representation of bivariate signals. The proposed approach features the definition of standard signal processing quantities such as spectral densities, linear time-invariant filters or spectrograms that are directly interpretable in terms of polarization attributes. More importantly, the framework does not sacrifice any mathematical guarantee and the newly introduced tools admit computationally fast implementations. Numerical experiments support throughout our theoretical developments. We also demonstrate the potential of the approach for the nonparametric characterization of the polarization of gravitational waves.

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.