Quelques aspects de cosmologie et de physique des trous noirs en gravitation quantique à boucles

Some aspects of cosmology and black hole physics in loop quantum gravity

• Auteur / Autrice : Killian Martineau
• Direction : Aurélien Barrau
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique subatomique et astroparticules
• Date : Soutenance le 10/10/2019
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes (ComUE)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale physique (Grenoble, Isère, France ; 1991-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de physique subatomique et de cosmologie (Grenoble ; 2003-....)
• Jury : Président / Présidente : Pierre Salati
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Delphine Hardin, Sébastien Renaux
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Martin Kunz, Alejandro Perez

Mots clés

Mots clés contrôlés

Gravité quantique

Mots clés libres

Gravitation quantique à boucles

Cosmologie quantique

Trous noirs

Loop quantum gravity

Quantum cosmology

Black holes

Résumé

Cantonnée à la physique mathématique depuis des décennies, la gravitation quantique entre désormais dans le giron de la science expérimentale. Suivant cette mouvance nous considérons dans cette thèse trois cadres d’application de la gravitation quantique à boucles (LQG) : le système Univers, les trous noirs et les astroparticules. Le troisième n’est qu’esquissé tandis que les deux premiers sont présentés plus en détails.Le secteur cosmologique étant l’un des domaines les plus prometteurs pour tester et contraindre des théories de gravité quantique, le développement de différents modèles tentant d’appliquer les idées de la LQG à l’Univers primordial ne s’est pas fait attendre. Les travaux que nous présentons portent sur la phénoménologie associée à ces modèles; tant dans le secteur homogène (où nous nous focalisons notamment sur la durée de la phase d’inflation), que dans le secteur inhomogène (nous étudions ce coup-ci le devenir des spectres de puissance primordiaux). Ces études combinées nous permettent alors de préciser dans quelle mesure des effets de gravité quantique (à boucles) peuvent être observés dans les anisotropies du fond diffus cosmologique.D’autre part les trous noirs, non contents de faire partie des objets les plus étranges et les plus fascinants de l’Univers, constituent également des sondes privilégiées pour tester des théories de gravitation. Nous développons la phénoménologie associée à différents traitements des trous noirs en gravitation quantique à boucles. Celle-ci intervient sur une grande variété de fronts : de l’évaporation de Hawking aux ondes gravitationnelles, en passant par la matière noire. C’est sans nul doute un domaine riche et vaste.Finalement, l’existence d’une échelle de longueur minimale, prédite par la majorité des théories de gravité quantique, suggère une généralisation du principe d’incertitude de Heisenberg. Partant de ce constat nous présentons également dans ce manuscrit une méthodologie permettant de calculer une nouvelle relation de dispersion de la lumière à partir du principe d’incertitude généralisé le plus couramment répandu.

After decades of being confined to mathematical physics, quantum gravity now enters the field of experimental science. Following this trend, we consider throughout this thesis three implementation frameworks of Loop Quantum Gravity (LQG): the Universe as a system, black holes and astroparticles. The last one is only outlined while the first two are presented in more detail.Since the cosmological sector is one of the most promising areas for testing and constraining quantum gravity theories, it was not long before the development of different models attempting to apply the ideas of the LQG to the primordial Universe. The work we present deals with the phenomenology associated with these models; both in the homogeneous sector (where we focus particularly on the duration of the inflation phase), as in the inhomogeneous sector (where this time, we study the fate of the primordial power spectra). These combined studies then allow us to specify to what extent effects of (loop) quantum gravity can be observed in the anisotropies of the cosmic microwave background.On the other hand black holes, not content to be among the strangest and most fascinating objects of the Universe, are also prominent probes to test the theories of gravitation. We develop the phenomenology associated with different treatments of black holes in the loop quantum gravity framework, which intervenes on multiple levels: from the evaporation of Hawking to gravitational waves, including dark matter. This is undoubtedly a rich and vast area.Finally, the existence of a minimal length scale, predicted by the majority of quantum gravity theories, suggests a generalization of the Heisenberg uncertainty principle. On the basis of this observation, we also present in this manuscript a methodology to derive a new relation dispersion of light from the most widely used generalized uncertainty principle.