Champs scalaires en cosmologie : discussions sur les principes d'équivalence et cosmologique

Scalar fields in cosmology : discussions on the equivalence and cosmological principles

• Auteur / Autrice : Julien Larena
• Direction : Jean-Michel Alimi
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Champs, particules, matière
• Date : Soutenance en 2007
• Etablissement(s) : Paris 7

Mots clés

Mots clés contrôlés

Énergie sombre (astronomie)

Gravitation

Cosmologie

Mots clés libres

Théorie scalaire-tenseur de la gravité

Résumé

La cosmologie est actuellement à un tournant de l'histoire de son développement. L'abondance de données observationnelles diverses et précises a permis de développer et de confirmer un modèle standard de concordance pour décrire les grandes échelles de l'Univers. Fort de ce succès, il devient crucial d'interroger les fondements de ce modèle standard, afin, notamment, d'éclaircir l'origine d'environ 90 % du contenu énergétique de l'Univers, qualifié de matière et d'énergie sombres. En lien avec le problème de l'énergie sombre, cette thèse se propose d'explorer, à travers les propriétés dynamiques de champs scalaires, deux principes qui se trouvent au coeur de la cosmologie: les principes d'équivalence et cosmologique. Le principe d'équivalence est abordé à travers les théories scalaire-tenseur de la gravité, permettant d'intégrer la Relativité Générale dans un cadre large de théories respectant la version faible du principe d'équivalence tout en permettant de tester sa version forte. Dans cette perspective, les propriétés dynamiques et les conséquences cosmologiques de ces théories sont discutées. Le principe cosmologique quant à lui est reformulé; ses contours sont redéfinis, menant à la formulation de modèles cosmologiques différents du modèle standard, par le biais des cosmologies inhomogènes moyennées. Ces modèles permettent de prendre en compte de façon consistante la structuration à petites échelles de l'Univers et son homogénéité aux grandes échelles, ouvrant ainsi la possibilité d'expliquer l'énergie sombre par la formation des structures; il est également possible de les mettre en correspondance avec l'apparition de champs scalaires dans le cadre du modèle standard.

Cosmology is today at a turning point of its history. The diversity and high precision of the multiple observations available have led to the emergence of a standard concordance model that describes very well the large scale structure of the Universe. Nevertheless, the unknown nature of almost 90 % of the energy content of the Universe, the so-called dark matter and energy, may be a sign that some assumptions of the standard model are inadequate. In this thesis, we explore, through the dynamical properties of scalar fields, two assumptions at the heart of cosmology: the equivalence and cosmological principles. The equivalence principle is studied thanks to scalar-tensor theories, so that General Relativity is embedded in a wider class of theories that respect the weak equivalence principle and allow to test its strong version. Both the dynamical properties and cosmological consequences (Big Bang Nucleosynthesis, Cosmic Microwave Background, structure formation) of these theories are discussed. As for the cosmological principle, it is reformulated and precisely redefined to lead to new cosmological models different from the standard one, and called averaged inhomogeneous cosmologies. These models provide a self consistent description of structures on small scales and of an effective homogeneous model for the large scales; this may be a way to explain dark energy through structure formation. These models can also been put in correspondence with the appearance of scalar fields in the standard model