Matière noire scalaire auto-interagissante : du freinage gravitationnel aux prédictions sur les ondes gravitationnelles

Self-interacting scalar field dark matter : From gravitational drag to gravitational wave predictions

• Auteur / Autrice : Alexis Boudon
• Direction : Patrick Valageas
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 28/09/2023
• Etablissement(s) : université Paris-Saclay
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Physique en Île-de-France (Paris ; 2014-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut de physique nucléaire (Orsay). Division de physique théorique. Journées d'études (8 ; 1978 ; Aussois, Savoie, France)
• Partenaire(s) de recherche : Référent : Université de Paris-Sud. Faculté des sciences d'Orsay (Essonne)
• Partenaire(s) de recherche : graduate school : Université Paris-Saclay. Graduate School Physique (2020-….)
• Jury : Président / Présidente : Danièle Steer
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : David Fonseca Mota, Julien Lavalle, Yann Mambrini
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : David Fonseca Mota, Julien Lavalle

Mots clés

Mots clés contrôlés

Trous noirs (astronomie)

Accrétion (astrophysique)

Interactions à longue portée

Ondes gravitationnelles

Gravitation

Champs scalaires

Matière noire (astronomie)

Mots clés libres

Matière noire

Champ scalaire

Auto-interaction quartique

Accrétion de masse

Friction dynamique

Ondes gravitationnelles

Dark matter

Scalar field

Quartic self-Interactions

Mass accretion

Dynamical friction

Gravitational waves

Résumé

L’absence d’observations directes de la matière noire froide motive une meilleure compréhension des scénarios alternatifs. En particulier, les scénarios impliquant des bosons ultralégers de masse inférieure à 1 eV ont connu un regain d’intérêt ces dernières années. Ils préservent les succès du modèle standard de matière noire froide à grande échelle, mais altèrent la dynamique aux échelles galactiques. L’ajout d’auto-interactions à de tels scénarios confère à la matière noire un comportement semblable à celui d’un fluide avec une pression effective non négligeable, la distinguant de la matière noire ultralégère conventionnelle. Nous avons étudié l’accrétion et la friction dynamique appliquée sur un trou noir se déplaçant dans un nuage de matière noire, tant dans le régime subsonique que supersonique. Nos résultats révèlent que si le régime subsonique implique principalement l’accrétion, le régime supersonique introduit une friction dynamique supplémentaire caractérisée par un terme similaire à celui obtenu par Chandrasekhar dans le cas de particules sans collisions. Néanmoins, dans les deux régimes, l’intensité de la force d’accrétion et de la friction dynamique reste inférieure à celle observée pour la matière noire froide ou ultra-légère sans collisions. En utilisant ces résultats, nous avons analysé les effets de ces forces sur les signaux d’ondes gravitationnelles émis par des binaires de trous noirs se trouvant à l’intérieur d’un nuage de matière noire scalaire auto-interagissant. En première approximation, des termes de correction aux ordres -4PN et -5.5PN apparaissent, exerçant une influence sur la phase du signal d’ondes gravitationnelles. Les observations prospectives de LISA et de B-DECIGO ont le potentiel de détecter ces effets sur un large spectre de masses scalaires et de couplages d’auto-interactions. Bien que des détecteurs tels que ET et Advanced LIGO puissent également identifier ces effets, leurs capacités de détection sont limitées à un espace de paramètres plus restreint. Notre analyse démontre que les cas où la détection de ces effets est la plus probable sont les Inspirales à Rapport de Mass Extrême (EMRIs) observées par LISA. Actuellement, cette approche est la seule permettant de contraindre la matière noire scalaire auto-interagissante ayant des nuages de dimensions inférieures à 0,1 pc.

The absence of direct observations of cold dark matter particles calls for a better understanding of alternative scenarios. In particular, scenarios involving ultralight bosons with a mass below 1 eV have experienced a resurgence of interest in recent years. They preserve the successes of the standard cold dark matter model at large scales but alter the dynamics at galactic scales. Including self-interactions to such scenarios endows dark matter with fluid-like behavior with non-negligible effective pressure, distinguishing it from the conventional ultralight dark matter. We investigated the accretion and dynamicalfriction applied on a black hole moving in a dark matter cloud, both in subsonic and supersonic regimes. Our findings reveal that while the subsonic regime primarily involves accretion, the supersonic regime introduces additional dynamical friction characterized by a term similar to the one obtained by Chandrasekhar for collisionless particles. Nonetheless, in both regimes, the magnitude of the accretion force and dynamical friction remains lower than that observed for cold or collisionless ultralight dark matter. In this framework, we analyzed the effects of these forces on the gravitational-wave signals emitted by binary black holes inside a self-interacting scalar field dark matter cloud. To a fist approximation, correction terms at -4PN and -5.5PN orders appear, exerting an influence on the phase of the gravitational-wave signal. Prospective observations by LISA and B-DECIGO have the potential to detect these effects across a broad spectrum of scalar masses and self-interaction couplings. Our analysis demonstrates that the instances in which the detection of these effects is most probable are Extreme Mass Ratio Inspirals (EMRIs) observed by LISA. Presently, this approach stands as the sole means to constrain self-interacting scalar dark matter with clouds smaller than 0.1 pc.