Cosmologie, Relativité générale, Ondes gravitationnelles, Gravitation modifiée, Cordes cosmiques, Ligo, Virgo, Lisa

Ces dernières années, l'astronomie des ondes gravitationnelles (OGs) a fourni une multitude de nouvelles données, à commencer par la première détection directe des ondes gravitationnelles en 2015 (l'événement nommé GW150914). Cet événement a confirmé l'existence de trous noirs binaires de masse stellaire qui fusionnent au cours d'un temps de Hubble (Hubble time). De plus, GW150914 a fourni le premier test de la relativité générale dans le régime des champs forts et des vitesses relativistes pour des trous noirs binaires. La détection ultérieure de la fusion d'étoiles à neutrons binaires (GW170817) a été accompagnée d'une série de contreparties électromagnétiques, ce qui en fait une étape importante dans l'astronomie multi-messager. Le dernier catalogue disponible (GWTC-3) publié par LIGO et Virgo contient environ ~90 coalescences d'objets compactes, fournissant des informations sur un large éventail de sujets. Notamment, ils informent sur les canaux de formation et l'abondance des objets compacts, leur distribution de masse et de spin, la composition des étoiles à neutrons, la cosmologie, la gravité modifiée, etc. L'événement GW170817 est remarquable car l'observation combinée d'ondes gravitationnelles et électromagnétiques a permis de mesurer la constante de Hubble, H0, qui caractérise le taux d'expansion de l'univers. Cette mesure est sans précédent puisqu'elle ne s'appuie pas sur l'échelle des distances cosmiques (cosmic distance ladder), mais obtient la distance de luminosité directement à partir du signal d'ondes gravitationnelles. Cet événement unique a permis de mesurer H0 avec une incertitude de 20%.Une autre approche pour mesurer H0 à partir d'événements des OGs sans information provenant d'observations électromagnétiques est la mesure conjoint des paramètres cosmologiques et de la distribution de masse binaire, connue sous le nom de méthode du spectre de masse (mass spectrum method). Cette approche peut être appliquée aux fusions de trous noirs binaires détectés, ce qui réduit l'incertitude sur H0. La thèse vise à mettre en œuvre et étudier la méthode du spectre de masse. En réalisant des tests sur des données simulées comprenant 1000 observations d'ondes gravitationnelles, nous montrons que la constante de Hubble peut être contrainte avec une précision de 10% (1 sigma). De plus, ce travail met en évidence l'importance de choisir les bons priors pour les paramètres du modèle de masse, car un prior incorrecte peut biaiser considérablement l'estimation de la constante de Hubble. La méthode est appliquée aux données observationnelles de LIGO et Virgo en utilisant le dernier catalogue de sources d'OGs, GWTC-3. Ce qui permet d'obtenir les premières contraintes sur les paramètres cosmologiques avec cette approche. Nous nous concentrons ensuite sur les signaux stochastiques. Les cordes cosmiques supposées avoir été formées au début de l'univers rayonnent à la fois de l'énergie dans le secteur des OGs et dans le secteur électromagnétique. Nous étudions les contraintes conjointes des limites supérieures données par la collaboration LIGO-Virgo-KAGRA et Fermi-LAT sur la densité d'énergie dans les cordes cosmiques. Enfin, nous nous tournons vers des observations avec le futur interféromètre spatial LISA, et nous en étudions les signaux provenant de trous noirs binaires en orbite autour de trous noirs super-massifs (TNSM). La fréquence modulée d'OG due au champ gravitationnel du TNSM peut être utilisée pour déduire la masse du TNSM.