Les trous noirs primordiaux comme candidats à la matière noire et les contraintes sur leur radiation de Hawking avec BlackHawk

Primordial black holes as dark matter and Hawking radiation constraints with BlackHawk

• Auteur / Autrice : Jérémy Auffinger
• Direction : Alexandre Arbey
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique théorique
• Date : Soutenance le 05/07/2022
• 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, Marco Cirelli, Jane Macgibbon, Francesca Calore, Etera R. Livine
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Marco Cirelli, Jane Macgibbon

Mots clés

Mots clés contrôlés

Matière noire (astronomie)

Physique mathématique

Évaporation des trous noirs (astronomie)

Trous noirs (astronomie)

Mots clés libres

Trous noirs primordiaux

Cosmologie

Matière noire

Radiation de Hawking

Code public

BlackHawk

Primordial black holes

Cosmology

Dark matter

Hawking radiation

Public code

BlackHawk

Résumé

Les trous noirs primordiaux sont au cœur d'un grand nombre de recherches depuis l'époque de la découverte du principe de leur existence. Si elles ont atteint une amplitude suffisante, des perturbations de densité ont pu s'effondrer gravitationnellement après la période d’inflation, ce qui a pu donner naissance à des trous noirs dans l'univers primordial, autrement dit des “trous noirs primordiaux”. Les trous noirs primordiaux sont non-baryoniques et non-relativistes. Ainsi, ils apparaissent comme un candidat parfait pour la “matière noire”, cette matière non-lumineuse qui est supposée être cinq fois plus abondante que la matière ordinaire dans les grandes structures de l'univers. Hawking a démontré qu'un trou noir n'est de fait pas tout à fait “noir”, mais qu'il émet un rayonnement continu comme s'il était un corps noir d'une température inversement proportionnelle à sa masse. Ce “rayonnement de Hawking” a deux conséquences majeures. La première, c'est qu'un trou noir perd de la masse au court du temps à cause de son “évaporation” par rayonnement de Hawking. La seconde est qu'un trou noir peut être vu. Cette émission continue est associée à des conséquences sur le milieu environnant les trous noirs primordiaux. Il existe une étroite fenêtre pour laquelle les trous noirs primordiaux seraient à la fois suffisamment massifs pour être stables à l'échelle de l'âge de l'univers, et suffisamment petits pour n'avoir aucun effet gravitationel autre que leur densité globale. Ces trous noirs primordiaux sont justement les candidats à la matière noire mentionnés plus haut. Le rayonnement de Hawking pourrait être la seule manière de les détecter. Il est donc primordial de le calculer le plus précisément possible, afin d'obtenir des prédictions soit sur les signaux à chercher dans les données astronomiques, soit sur les meilleurs instruments à construire pour les observer. C'est ainsi qu'est né BlackHawk : un code libre et gratuit qui en est à sa version v2.1. BlackHawk calcule le rayonnement de Hawking d'une distribution de trous noirs, qui peuvent avoir des masses, des charges électriques ou des vitesses de rotation différentes. Ensuite, BlackHawk utilise différents codes de physique des particules pour prendre en compte les interactions entre particules émises, ainsi que leur potentielle désintégration. Ce manuscrit de thèse rassemble tous les travaux que j'ai menés au cours de ces dernières années, principalement avec BlackHawk. Ils sont de deux sortes. Premièrement, il y a les travaux qui consistent à calculer le rayonnement de Hawking d'une distribution de trous noirs primordiaux et à comparer ce rayonnement à des données astronomiques, dans le but d'en tirer une contrainte sur leur abondance. J'ai mené plusieurs études de ce type, notamment sur les trous noirs en rotation avec une distribution étendue. J'ai aussi pu ainsi démontrer que malgré des progrès récents en matière de théorie et d'observations, les contraintes existantes souffrent d'une marge d'erreur considérable. Deuxièmement, il y a les travaux théoriques sur les propriétés et l'évolution des trous noirs dues à leur évaporation. J'ai étudié notamment la durée de vie et l'évolution du moment angulaire de trous noirs en rotation. J'ai également obtenu les formules qui permettent de calculer le rayonnement de Hawking d’une large classe de trous noirs non standards ; les contraintes en sont modifiées. Enfin, les trous noirs primordiaux peuvent produire des champs au-delà du Modèle Standard, notamment des particules de matière noire, ce qui a fait l'objet d'une étude à part entière. Le développement de BlackHawk annonce une ère de précision numérique dans l'étude des trous noirs primordiaux, appuyée par le lancement de nouveaux instruments d'observation.

Primordial black holes are central in numerous research since their first proposal. If they have a sufficient amplitude, primordial density inhomogeneities could have collapsed at the end of the inflation period, giving birth to black holes in the primordial universe, namely "primordial black holes". Primordial black holes are non-baryonic and non-relativistic. Hence, they appear as a perfect candidate for the "dark matter", this non-luminous matter which is supposed to be five times more abundant than the ordinary matter in the big structures of the universe. Hawking showed that a black hole in not entirely "black", but emits a continuous radiation as a black body with a temperature inversely proportional to its mass. This "Hawking radiation" has two major consequences. The first one is that black holes continuously lose mass because of their "evaporation" due to Hawking radiation. The second one is that black holes can be seen. The continuous emission has consequences on the medium around the primordial black holes. There exists a narrow window for which primordial black holes are sufficiently massive so that they are stable at the scale of the age of the universe, but sufficiently light so that their only gravitational effect comes from their global density. These are precisely the dark matter candidates mentioned earlier. Hawking radiation could be the only mean of detection of these black holes. It is thus primordial to compute it as precisely as possible, in order to obtain predictions either on the expected signals in astronomical surveys, or on the best design of future instruments to observe them. This is how BlackHawk was born: a public and free code currently at version 2.1. BlackHawk computes the Hawking radiation of a distribution of black holes, which can have différent mass, charg and angular momentum. Then, BlackHawk uses particle physics codes to take into account interactions between emitted particles and their possible decay. This thesis manuscript gathers all the work I have done these last years, mostly with BlackHawk. There are two kinds of studies. Firstly, studies that consist in computing the Hawking radiation of a distribution of primordial black holes and in comparing it to astronomical data, in order to deduce a constraint on their abundance. I have performed several studies of that type, in particular concerning black holes with a distribution of mass and spin. I have demonstrated that despite recent progress in theory and observation, the existing constraints suffer from considerable uncertainties. Secondly, studies that deal with the theory of black hole evolution due to evaporation. I studied in particular the evolution of rotating black holes and their lifetime. I have also obtained the formulas that allow to compute the Hawking radiation of a large class of non-standard black holes; constraints are modified. Finally, black holes can produce fields beyond the Standard Model, like particle dark matter, which was the subject of a dedicated study. The release of BlackHawk announces an era of precision in the study of primordial black holes, concomitant with the construction of new instruments.