Un conte de trous noirs primordiaux : des aspects cosmologiques aux recherches astrophysiques

A primordial black hole tale : from cosmological aspects to astrophysical searches

• Auteur / Autrice : Joaquim Iguaz Juan
• Direction : Pasquale D. Serpico
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique Théorique
• Date : Soutenance le 05/07/2023
• Etablissement(s) : Chambéry
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale physique (Grenoble, Isère, France ; 1991-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire d'Annecy-le-Vieux de Physique Théorique (Annecy-le-Vieux, Haute-Savoie, France ; 1999-....)
• Jury : Président / Présidente : Laurent Derome
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Fiorenza Donato, Laura Lopez-Honorez
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Antonio Riotto, Gabrijela Zaharijaš

Mots clés

Mots clés contrôlés

Évaporation des trous noirs (astronomie)

Ondes gravitationnelles

Matière noire (astronomie)

Mots clés libres

Trous noirs primordiaux

Univers primordial

Matière noire

Ondes gravitationelles

Rayonnement gamma

Primordial black holes

Early universe

Dark matter

Gravitational waves

Gamma rays

Résumé

Les trous noirs primordiaux (PBH) peuvent se former au tout début de l'univers et peuvent être associés à de nombreuses signatures cosmologiques et astrophysiques. Dans cette thèse, j'explore la physique liée aux PBH depuis sa possible formation aux premiers stades de l'univers jusqu'aux possibles signatures d'une population de PBH dans notre propre galaxie. Je présente ici une histoire fascinante avec les PBH comme personnage unique et principal et jouant les rôles de : la matière noire (DM), les objets coalescents détectés par LIGO/Virgo et les trous noirs supermassifs (SMBH). Après une introduction, la thèse est divisée en trois chapitres principaux organisés chronologiquement : Dans le premier chapitre, j'aborde la possible formation des PBH lors de la phase de 'preheating' qui suit immédiatement la période d'inflation cosmique. Dans le deuxième chapitre, je présente une discussion sur les implications des phénomènes de l'univers primordial, notamment la transition de phase de la chromodynamique quantique (QCD) et l'annihilation électron-positron, sur la distribution de masse des PBH se formant à ces époques ; j'analyse ensuite les contraintes de ce scénario à partir d'un certain nombre d'observations : le motif spécifique des anisotropies du fond diffus cosmologique (CMB) induites par l'accrétion sur les PBH, les distorsions spectrales du CMB, les recherches d'ondes gravitationnelles et les comptages directs des SMBH à haut décalage vers le rouge. Enfin, dans le dernier chapitre, j'étudie l'évaporation des PBH légers via l'évaporation de Hawking et ses éventuelles signatures observables sur les flux de rayonnement gamma galactiques et isotropes mesurés. Aucun signal PBH n'est détecté et nous fixons la limite la plus forte sur PBH en tant que DM dans la gamme de masse à l'étude. Une discussion sur d'autres directions de recherche conclut la thèse, tandis que les aspects techniques sont rapportés dans les annexes.

Primordial Black Holes (PBHs) can form in the very early universe and can be associated to numerous cosmological and astrophysical signatures. In this thesis we explore the physics related to PBHs since its possible formation at the earliest stages of the universe to the possible signatures of a population of PBHs in our own galaxy. I present here a fascinating story with PBHs as the only and main character and playing the roles of: Dark Matter (DM), coalescing objects detected by LIGO/Virgo, and Supermassive Black Holes (SMBHs). After an introduction, the bulk of the thesis is divided into three main chapters organized chronologically: In the first chapter, I discuss the possible formation of PBHs during the preheating phase that immediately follows inflation. In the second chapter, I present a discussion on the implications of early universe phenomena, most notably the quantum chromodynamics (QCD) phase transition and electron-positron annihilation, on the mass distribution of PBHs forming at these epochs; I then analyze the constraints on this scenario from a number of observations: the specific pattern in cosmic microwave background (CMB) anisotropies induced by accretion onto PBHs, CMB spectral distortions, gravitational wave searches, and direct counts of SMBHs at high redshift. Finally, in the last chapter, I study the evaporation of light PBHs via Hawking evaporation and its possible observable signatures on the measured galactic and isotropic gamma ray fluxes. No PBH signal is detected and we set the strongest limit on PBH DM in the mass range under study. A discussion of further research directions concludes the thesis, while technical results are reported in some appendices.