Étudiant aspects de l'univers primordial avec les trous noirs primordiaux

Studying aspects of the early universe with primordial black holes

• Auteur / Autrice : Theodoros Papanikolaou
• Direction : Vincent Vennin
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique de l'univers
• Date : Soutenance le 20/09/2021
• Etablissement(s) : Université Paris Cité
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences de la terre et de l'environnement et physique de l'univers (Paris ; 2014-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : AstroParticule et Cosmologie (Paris ; 2005-....)
• Jury : Président / Présidente : Danièle Steer
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Vincent Vennin, Danièle Steer, Christian Thomas Byrnes, Sébastien Clesse, Antonio Riotto
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Christian Thomas Byrnes, Sébastien Clesse

Mots clés

Mots clés contrôlés

Effondrement gravitationnel

Ondes gravitationnelles

Univers inflatoire

Trous noirs (astronomie)

Mots clés libres

Trous noirs primordiaux

Inflation

Préchauffement

Ondes gravitationnelles induites

Effondrement gravitationnel de trous noirs primordiaux

Primordial black holes

Inflation

Preheating

Induced gravitational waves

Primordial black hole gravitational collapse

Résumé

Cette thèse sur articles est dédiée à l'étude des aspects de l'univers primordial par le biais des trous noirs primordiaux (TNP). Depuis que les TNP ont été initialement proposés dans les années 70, ils attirent de plus en plus l'intérêt de la communauté scientifique étant donné le fait que ces objets astrophysiques apportent un éclairage sur un grand nombre de problèmes de la cosmologie contemporaine et en parallèle peuvent donner accès à une grande variété de phénomènes physiques en fonction de de leur masse. En particulier, les TNP de petite masse peuvent donner accès à la physique de l'univers primordial comme la physique de l'inflation et du réchauffement tandis qu'avec les TNP de grande masse on peut explorer des phénomènes de la physique gravitationnelle comme la formation des structures de grande échelle et l'origine de la matière noire. Dans cette thèse, on rapelle tout d'abord les fondements de la cosmologie de l'univers primordial et les essentiels de la physique des TNP en couvrant à la fois des aspects théoriques et observationnelles. En particulier, on propose un raffinement des méthodes sur la détermination du seuil de formation des TNP, une quantité fondamentale dans le domaine de recherche des TNP, dans le contexte d'un paramètre d'équation d'état dépendant du temps. Ensuite, on se réfère brièvement à la théorie des perturbations inflationnaires, qui constitue le cadre théorique dans lequel les TNP sont étudiés dans cette thèse. Dans une deuxième partie, on présente la recherche effectuée au sein de mes études doctorales, dans laquelle des aspects de la physique de l'univers primordial se combinent avec la physique des ondes gravitationnelles. De plus, des facettes de l'effondrement gravitationnel des TNP en présence des anisotropies sont étudiées. Plus spécifiquement, on étudie les TNP produits de l'instabilité du préchauffement dans le contexte de la théorie de l'inflation avec un champ scalaire. En particulier, on trouve que les TNP produits pendant la période du préchauffement peuvent potentiellement dominer le contenu énergétique de l'univers et conduire au réchauffement de l'univers à travers leur évaporation. Ensuite, on se concentre sur le fond stochastique d'ondes gravitationnelles induites par perturbations scalaires à travers des effets gravitationnels de second ordre pendant une période cosmique avant l'époque de la nucléosynthèse du Big Bang, où des trous noirs primordiaux ultralégers constituent la composante principale du budget énergétique de l'univers. En demandant alors que ces ondes gravitationnelles induites ne se produisent pas en excès à la fin de la période de domination énergétique des TNP, on impose des contraintes indépedentes du modèle de production de TNP sur leur abondance au moment de leur formation en fonction de leur masse. Puis, on étudie d'une manière covariante l'effondrement gravitationnel sphérique et anisotropique des TNP se produisant pendant une époque cosmique dominée par la radiation. Enfin, on résume les résultats de notre recherche en discutant les perspectives qu'ouvre le travail effectué au sein du doctorat. En particulier, on met en exergue les contraintes potentielles sur les prédictions observationnelles du fond cosmologique à travers l'étude des TNP produits pendant la période du préchauffement au sein de la théorie d'inflation avec un champ scalaire. De plus, on souligne la detectabilité potentielle des TNP ultralégers par des futures expériences gravitationnelles comme LISA, Einstein Telescope et SKA.

This thesis by publication is devoted to the study of aspects of the early universe in the context of primordial black hole (PBH) physics. Since the early '70s, when PBHs were initially proposed, PBHs have been attracting an increasing interest within the scientific community given the fact that they can address a number of fundamental issues of modern cosmology and at the same time give access to different physical phenomena depending on their mass. Interestingly, with low mass PBHs one can probe and constrain the physics of the early universe, such as inflation and reheating whereas with high mass PBHs one can probe gravitational physics phenomena like the large-scale structure formation and the origin of dark matter. In the following PhD thesis, we firstly review the fundamentals of the early universe cosmology and we recap the basics of the PBHs physics covering both theoretical and observational aspects. In particular, we propose a refinement in the determination of the PBH formation threshold, a fundamental quantity in PBH physics, in the context of a time-dependent equation-of-state parameter. Afterwards, we briefly present the theory of inflationary perturbations, which is the theoretical framework within which PBHs are studied in this thesis. Then, in the second part of the thesis, we review the core of the research conduc- ted within my PhD, in which aspects of the early universe and the gravitational wave physics are combined with the physics of PBHs. Moreover, aspects of the PBH gravitational collapse process are studied in the presence of anisotropies. Specifically, we study PBHs produced from the preheating instability in the context of single-field inflation. In particular, we find that PBHs produced during preheating can potentially dominate the universe's content and drive reheating through their evaporation. Then, we focus on the scalar induced second-order stochastic gravitational wave background (SGWB) produced during an era before BBN in which ultralight PBHs dominate the energy budget of the universe. By taking then into account gravitational wave backreaction effects we set model-independent constraints on the initial abundance of ultralight PBHs as a function of their mass. Afterwards, we study in a covariant way the anisotropic spherical gravi- tational collapse of PBHs during a radiation-dominated era in which one can compute the PBH formation threshold as a function of the anisotropy. Finally, we summarize our research results by discussing future prospects opened up as a result of the work we have done within the PhD. In particular, we emphasize the potential constraints on the CMB observational predictions by studying PBHs produced from the single-field inflation preheating instability as well as the potential detectability of ultralight PBHs by future gravitational experiments such as LISA, Einstein Telescope and SKA.