The Dark Side of General Relativity

Le côté obscur de la relativité générale

• Auteur / Autrice : Jean-François Coupechoux
• Direction : Alexandre Arbey
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Astroparticules et cosmologie
• Date : Soutenance le 10/09/2021
• Etablissement(s) : Lyon
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale de Physique et Astrophysique de Lyon (Lyon ; 1991-....)
• Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : Université Claude Bernard (Lyon ; 1971-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut de Physique des 2 Infinis de Lyon
• Jury : Président / Présidente : Dimitrios Tsimpis
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Alexandre Arbey, Jérôme Novak, Antonio Riotto, Chiara Caprini, Roya Mohayaee
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Jérôme Novak, Antonio Riotto

Mots clés

Mots clés contrôlés

Ondes gravitationnelles

Trous noirs (astronomie)

Matière noire (astronomie)

Relativité générale (physique)

Mots clés libres

Matière noire

Energie noire

Champs scalaires en cosmologie

Nucléosynthèse primordiale

Trous noirs primordiaux

Etoiles à neutrons

Ondes gravitationnelles

Dark matter

Dark energy

Cosmological scalar fields

Big-Bang nucleosynthesis

Primordial black holes

Neutron stars

Gravitational waves

Résumé

Motivés par les récentes détections d'ondes gravitationnelles, nous considérons que les trous noirs primordiaux sont une alternative valable à une partie significative de la matière noire. Pour le moment, il n'y a pas de preuves expérimentales de l'existence d'un tel objet mais l'évènement appelé GW190814 a permis de détecter un objet compact de 2,6 fois la masse solaire. Il s'agit donc soit de l'étoile à neutrons la plus massive, soit du trou noir le plus léger jamais détecté. Mais il pourrait également s'agir d'un trou noir primordial et nous allons considérer différents aspects des ondes gravitationnelles reliées aux trous noirs primordiaux. Tout d'abord, nous avons utilisé le code développé par la communauté d'Einstein Toolkit pour résoudre numériquement les équations d'Einstein et calculer des formes d'ondes gravitationnelles émises par la fusion de deux trous noirs. Ces formes d'ondes sont valables pour n'importe quelle masse du système considéré grâce aux relations de scaling pour des trous noirs décrits par la métrique de Kerr. On peut donc facilement avoir la forme d'onde pour des trous noirs allant d'une masse de l'ordre du gramme jusqu'à des millions de masses solaires. Ces relations de scaling sont également valables pour des trous noirs chargés mais il existe des trous noirs plus exotiques qui brisent les relations de rescaling. Nous étudierons les limites physiques de ces relations en considérant l'expansion de l'Univers et le rayonnement de Hawking qui peuvent devenir non négligeables pour des trous noirs primordiaux. Lorsqu'un signal d'onde gravitationnelle est détecté par la collaboration LIGO/Virgo, les objets détectés sont classés en étoiles à neutrons si leur masse est inférieure à 2,2 fois la masse solaire et en trous noirs si leur masse est supérieure à 5 fois la masse solaire. Mais si on ne veut pas utiliser cette distinction, il faut être capable de mesurer l'effet de la matière baryonique décrivant une étoile à neutrons grâce à la déformabilité de marée. Ainsi, nous étudierons les conditions nécessaires pour déterminer la nature des objets compacts en injectant des formes d'onde dans un bruit réaliste des détecteurs. Par ailleurs, il existe de nombreux candidats pour décrire la matière noire et les trous noirs primordiaux n'en constituent qu'un parmi tant d'autres. Le modèle Fuzzy Dark Matter basé sur un champ scalaire en est un autre, et il est possible d'étendre un tel modèle pour qu'il imite également le comportement de l'énergie noire. Nous étudierons son potentiel pour en donner la forme la plus générale. A basse énergie, les deux ingrédients de base sont : un terme de masse extrêmement faible et une constante dominant l'évolution récente de l'Univers pour remplacer l'énergie noire. Cependant, la forme du potentiel reste une question ouverte car elle est très peu contrainte au cours de l'histoire de l'Univers. En revanche, il est possible de donner des limites sur la densité d'énergie d'un champ scalaire totalement générique au moment de la nucléosynthèse primordiale grâce à l'abondance des différents éléments primordiaux. Ces limites sont données pour un champ scalaire stable et pour un champ scalaire se désintégrant en radiation. Il existe de nombreux modèles utilisant des champs scalaires en cosmologie, pour essayer de réduire leur nombre, une solution est de les considérer comme non indépendant. Pour cela, nous introduirons un modèle de triple unification unifiant : l'inflation, la matière noire et l'énergie noire avec un seul et unique champ scalaire couplé de manière non minimale à la gravité.

Motivated by the recent gravitational wave detections, we consider primordial black holes as a valid alternative to a significant fraction of dark matter. At the moment, there is no experimental evidence of such an object, but the event called GW190814 has detected a compact object of 2.6 times the sun mass. It is therefore either the most massive neutron star or the lightest black hole ever detected. But it could also be a primordial black hole and we will consider different aspects of gravitational waves related to primordial black holes. First, we used the code developed by the Einstein Toolkit community to solve numerically the Einstein equations and calculate the gravitational wave-forms emitted by a binary black hole merger. These wave-forms are valid for any mass of the system thanks to the scaling relations for black holes described by the Kerr metric. We can thus easily have the wave-form for black holes having a mass of the order of a gram up to millions of solar masses. These scaling relations are also valid for charged black holes but there are more exotic black holes that break the scaling relations. We will also study the physical limits of these relations by considering the expansion of the Universe and Hawking radiation, which can become non-negligible for primordial black holes. When a gravitational wave signal is detected by the LIGO/Virgo collaboration, the detected objects are classified as neutron stars if their mass is lower than 2.2 times the sun mass and as black holes if their mass is higher than 5 times the sun mass. But if we do not want to use this distinction, we must be able to distinguish the effect of baryonic matter describing a neutron star through the tidal deformability. We will study the necessary conditions to determine the nature of compact objects by injecting wave-forms into a realistic detector noise. There are many candidates to describe dark matter and primordial black holes are one of them. The Fuzzy Dark Matter model based on a scalar field is another one and it is possible to extend this model to also mimic the behavior of dark energy. We will study the potential of such a model to give the most general form. At low energy, the two basic ingredients are: an extremely low mass term and a constant dominating the recent evolution of the Universe to replace dark energy. However, the shape of the potential remains an open issue because it is not very constrained in the primordial Universe. On the other hand, it is possible to give limits on the energy density of a generic scalar field during Big-Bang nucleosynthesis by the observed abundance of the elements. These limits are given: for a stable scalar field and for a scalar field decaying into radiation. There are many models using scalar fields in cosmology, to reduce their number, a solution is to consider them as non-independent. For this, we will introduce a triple unification model unifying: inflation, dark matter and dark energy with a single scalar field with a non-minimal coupling to gravity.