Cosmologie primordiale et ondes gravitationnelles : des transitions de phase aux cordes cosmiques et aux trous noirs primordiaux

Primordial cosmology and gravitational waves : from phase transitions to cosmic strings and primordial black holes

• Auteur / Autrice : Pierre Auclair
• Direction : Danièle Steer, Chiara Caprini
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique de l'univers (ed 560)
• Date : Soutenance le 09/07/2021
• Etablissement(s) : Université Paris Cité
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Astronomie et astrophysique d'Île-de-France (Meudon, Hauts-de-Seine ; 1992-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : AstroParticule et Cosmologie (Paris ; 2005-....)
• Jury : Président / Présidente : David Langlois
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Danièle Steer, Chiara Caprini, David Langlois, Ruth Durrer, Edmund Copeland, Germano Nardini, Sébastien Clesse, Mark Hindmarsh
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Ruth Durrer, Edmund Copeland

Mots clés

Mots clés contrôlés

Transitions de phases

Trous noirs (astronomie)

Cordes cosmiques

Cosmologie

Ondes gravitationnelles

Mots clés libres

Cosmologie primordiale

Trous noirs primordiaux

Preheating

Primordial cosmology

Primordial black holes

Preheating

Résumé

La force gravitationnelle régit l'évolution des structures dans l'Univers, depuis les plus petites échelles, celles des lunes et des planètes, jusqu'aux galaxies, aux clusters et jusqu'à l'évolution de l'Univers lui-même. Son importance pour décrire l'Univers qui nous entoure n'est plus à démontrer~: les succès de la relativité générale s'accumulent depuis maintenant plus d'un siècle. Cependant, il a fallu attendre les premières détections directes d'ondes gravitationnelles en 2015 par LIGO/Virgo pour que la gravité, sous la forme d'ondes gravitationnelles, devienne un outil direct d'observation pour scruter l'Univers dans ses recoins les plus sombres et inaccessibles, tels l'environnement proche des trous noirs et les premiers instants de l'Univers. Les perspectives qu'offrent ces nouveaux types d'observations sont comparables à ce que l'étude du fond diffus cosmologique a pu apporter au tournant du millénaire, marquant de ce fait le début de la cosmologie moderne de précision. Ce travail de doctorat s'inscrit dans ce sujet de recherche particulièrement stimulant qu'est l'étude des ondes gravitationnelles au sein de la collaboration LIGO/Virgo/KAGRA -- le réseau de détecteurs terrestres d'ondes gravitationnelles actuellement en place -- et de la collaboration LISA, la constellation de trois satellites séparés de 2,5 millions de kilomètres destinée à détecter des ondes gravitationnelles de basse fréquence dans l'espace. Le sujet principal de cette thèse est l'étude de la cosmologie primordiale -- c'est-à-dire les premiers instants de l'Univers -- principalement par le prisme des détecteurs d'ondes gravitationnelles. Ce manuscrit comporte trois parties indépendantes. La première partie de cette thèse porte sur les cordes cosmiques, des défauts topologiques unidimensionnels susceptibles d'être formés lors de transitions de phase dans l'Univers primordial. Si elles étaient formées, ces reliques des premiers instants de l'Univers seraient des marqueurs des bouleversements qu'a connu notre Univers à ses débuts. C'est dans cette perspective que nous étudions l'évolution du réseau de cordes cosmiques, en particulier celle de la densité de boucles et leur émission d'ondes gravitationnelles. Nous formulons des prédictions pour la future mission LISA et mettons des contraintes sur les cordes cosmiques à partir des résultats de LIGO/Virgo/KAGRA. Dans une seconde partie, nous étudions la formation de trous noirs primordiaux à la fin de l'inflation, une période d'expansion accélérée dans l'Univers primordial. Durant cette phase dite de preheating, qui précède la formation des particules du modèle standard, l'inflaton oscillant autour du minimum de son potentiel aurait pu engendrer une instabilité de la métrique à l'origine de la formation d'une grande quantité de trous noirs primordiaux. Cette deuxième partie de la thèse est donc consacrée à l'étude de cette instabilité et à quantifier la production de trous noirs en utilisant le formalisme d'excursion-set. La troisième et dernière partie est, quant à elle, dédiée aux transitions de phase du premier ordre, en particulier durant la transition électro-faible dans des extensions du modèle standard. Durant la transition, une grande quantité d'énergie est transmise au milieu ambiant sous forme d'énergie cinétique et peut générer de la turbulence. Nous proposons dans cette partie, une modélisation de cette turbulence libre et du spectre d'ondes gravitationnelles qui en résulte.

The gravitational force governs the evolution of structures in the Universe, from the smallest scales, those of moons and planets, to galaxies, clusters, and to the evolution of the Universe itself. Its importance to describe the Universe around us is no longer to be demonstrated: the successes of general relativity have been accumulating for more than a century now. However it was not until the first direct detection of gravitational waves in 2015 by LIGO/Virgo that gravity, in the form of gravitational waves, became a direct observational tool to scrutinize the Universe in its darkest and most inaccessible corners, such as the neighbourhood of black holes and the first moments of the Big Bang. The perspectives offered by these new types of observations are comparable to those brought by the cosmic microwave background at the turn of the millennium, thus marking the beginning of precision cosmology. This PhD work is part of the exciting research topic of gravitational wave studies within the LIGO/Virgo/KAGRA collaboration -- the network of ground-based gravitational wave detectors currently in place -- and the LISA collaboration, the constellation of three satellites, separated by 2.5 millions of kilometers, designed to detect low frequency gravitational waves in space. The main subject of this thesis is the study of primordial cosmology -- i.e. the first instants of the Universe -- mainly through the prism of gravitational wave detectors. This manuscript has three independent parts. The first part of this thesis deals with cosmic strings, one-dimensional topological defects that could be formed during phase transitions in the primordial Universe. If formed, these relics of the early universe would be markers of the upheavals of our early universe. We study the evolution of the cosmic string network, in particular the density of loops and their gravitational wave emission, we make predictions for the future LISA mission, and finally constrain cosmic strings using the results of LIGO/Virgo/KAGRA. In a second part, we study the formation of primordial black holes at the end of inflation, a period of accelerated expansion in the early Universe. During this so-called preheating phase, which precedes the formation of standard model particles, the inflaton oscillates around the minimum of its potential possibly generating a metric instability at the origin of the formation of a large number of primordial black holes. This part of the thesis is therefore devoted to the study of this instability and to quantifying the production of primordial black holes using the excursion-set formalism. The third part is dedicated to first order phase transitions, in particular during the electroweak transition in extensions of the standard model. During the transition, a large amount of energy is transmitted to the ambient medium in the form of kinetic energy which can lead to turbulence. We therefore propose a model for this freely decaying turbulence and the resulting gravitational wave spectrum.