Trous noirs en rotation dans la théorie du Galileon cubique

Rotating black holes in the cubic Galileon theory

• Auteur / Autrice : Karim Van Aelst
• Direction : Éric Gourgoulhon
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 24/06/2020
• Etablissement(s) : Université Paris Cité
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Physique en Île-de-France (Paris ; 2014-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : LUTH Laboratoire Univers et Théories (Observatoire de Paris - Section de Meudon)
• Jury : Président / Présidente : David Langlois
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Éric Gourgoulhon, David Langlois, Panagiota Kanti, Geoffrey Compère, Danièle Steer, Karim Noui
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Panagiota Kanti, Geoffrey Compère

Mots clés

Mots clés contrôlés

Gravité

Géodésie

Trous noirs (astronomie)

Mots clés libres

Gravité modifiée

Galileon cubique

Trou noir chevelu

Trou noir en rotation

Géodésiques

Modified gravity

Cubic Galileon

Hairy black hole

Rotating black hole

Geodesics

Résumé

Ce projet de thèse s'inscrit dans un large contexte : l'étude des théories de la gravitation, notamment par la modélisation d'objets compacts tels que les trous noirs. Le but ultime de cette démarche est de déterminer toutes les théories incompatibles avec les observations, ou présentant des pathologies théoriques. En conséquence, la première partie de ce manuscrit présente les concepts et principes essentiels communs à toutes ces théories, et introduit certaines d'entre elles entretenant un lien avec le projet. La deuxième partie expose les résultats propres au projet : une comparaison entre une famille de trous noirs en rotation issue de la théorie du Galileon cubique, et les trous noirs de Kerr de la théorie de la relativité générale. Le Galileon cubique est une théorie très récente relativement à la relativité générale, développée par Albert Einstein il y a plus d'un siècle.Tout d'abord, ces trous noirs sont construits numériquement. Les orbites autour de ces trous noirs, notamment leur stabilité, sont ensuite étudiées. Enfin, les images produites par un modèle simple de disque d'accrétion en orbite autour de ces trous noirs sont simulées numériquement. Ces géodésiques et images sont directement liées aux observations réalisées par certains instruments en activité, tels que GRAVITY ou l'Event Horizon Telescope, qui sont dédiés à l'étude des trous noirs supermassifs. Ce projet permet ainsi d'identifier de possibles tensions entre les prédictions de la théorie du Galileon cubique et certaines observations liées aux trous noirs.

The present project falls within the wide effort conducted to study theories of gravitation, notably by modelling the physics of compact objects like black holes. The long-term objective of this approach is to determine all theories that are either incompatible with observations, or theoretically inconsistent. The first part of the manuscript thus presents the essential concepts and principles that are common to all these theories, and introduces some of these theories which connect to the project. In the second part, the actual contribution of the project is exposed: comparing rotating black holes of the cubic Galileon theory with the Kerr family of the general theory of relativity. The latter was developed by Albert Einstein more than a century ago, while the cubic Galileon is a much more recent theory.First, the rotating black holes are constructed numerically. Then, the properties of the orbits around them are investigated, in particular their stability. Finally, the images of a simple model of accretion disk orbiting the black holes are simulated. Such orbits and images directly relate the observations realized by instruments like GRAVITY or the Event Horizon Telescope, which monitor supermassive black holes. The present project thus allows to identify possible tensions between the predictions of the cubic Galileon theory and observational data on black holes.