Trous noirs et leurs perturbations dans la recherche d'une nouvelle physique

Black holes and their perturbations in the search for new physics

• Auteur / Autrice : Anna Chrysostomou
• Direction : Aldo Deandrea, Alan S. Cornell
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 11/06/2024
• Etablissement(s) : Lyon 1 en cotutelle avec University of Johannesburg (2005-...)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale de Physique et Astrophysique de Lyon (Lyon ; 1991-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut de Physique des 2 Infinis de Lyon
• Jury : Président / Présidente : Farvah Mahmoudi
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Aldo Deandrea, Alan S. Cornell, Karim Benakli, Roman Konoplya, William Horowitz, Viola Sordini, Alessandra Tonazzo
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Karim Benakli, Roman Konoplya

Mots clés

Mots clés contrôlés

Kaluza-Klein, Théories de

Espace-temps

Trous noirs (astronomie)

Ondes gravitationnelles

Mots clés libres

Physique des hautes énergies

Trous noirs

Modes quasi-normaux

Ondes gravitationnelles

Dimensions supplémentaires

High energy physics

Black holes

Quasinormal modes

Gravitational waves

Extra dimensions

Résumé

Les modes quasi-normaux (QNM) des trous noirs (TNs) constituent un outil indispensable dans l'étude des théories (semi-)classiques et alternatives de la gravité, capables de décrire la dynamique complexe des systèmes de TNs. Les QNM et les fréquences quasi-normales complexes (QNF) qui leur sont associées permettent de mieux comprendre la nature des singularités, l'(in)stabilité des TNs et des principes tels que la censure cosmique et la « théorème de calvitie ». À l'ère de l'astronomie des ondes gravitationnelles (OGs), l'exploitation des QNM permet des analyses phénoménologiques des OGs issues des fusions de TNs, ce qui enrichit notre compréhension de la physique fondamentale et facilite la recherche d'une nouvelle physique. Nous étudions les QNMs des TNs à travers des champs scalaires se propageant sur fond fixe de TNs sphériquement symétriques, en examinant comment les paramètres de champ et d'espace-temps influencent le spectre. Trois espaces-temps distincts sont étudiés : le TN de Schwarzschild, choisi pour sa simplicité ; le TN chargé de Reissner-Nordström dans un espace-temps asymptotiquement de Sitter (RNdS), représentant le scénario le plus compliqué de la relativité générale (RG) ; et un espace-temps extradimensionnel de courbure mixte dans lequel un TN de Schwarzschild quadridimensionnel est intégré. Dans l'espace-temps de Schwarzschild, nous étudions l'influence de la masse d'un champ sur le spectre scalaire des QNF, où une limite supérieure peut être. En revanche, les QNFs de faible masse présentent un comportement anormal, s'échelonnant inversement au moment angulaire. Nous étendons ensuite notre étude des QNM de Schwarzschild au développement d'une technique de calcul d'ordre supérieur pour la fonction d'onde des QNM et le facteur d'excitation, ce dernier offrant une mesure spécifique de l'excitation relative, cruciale pour l'identification de modes spécifiques dans le spectre des OGs. Nous élargissons ensuite notre examen de l'effet des paramètres du champ et du TN sur les QNF en examinant les champs massifs chargés dans l'espace-temps de Reissner-Nordström de Sitter. En utilisant un diagramme de l'espace des phases, nous montrons comment la constante cosmologique impose des limites supérieures à la masse et à la charge du TN. Grâce à cette analyse, nous examinons la limite de Festina-Lente dérivée des processus de désintégration des TNs qui contraint la masse et la charge, ainsi que la conjecture de censure cosmique qui préserve le déterminisme dans la RG. Grâce à une méthode de calcul semi-classique adaptée, nous montrons comment les QNFs évoluent dans l'espace des phases ; nous démontrons des comportements réguliers et anormaux des QNFs et leur dépendance aux paramètres du TN et du champ. Nous trouvons des régions dans l'espace des phases prédisposées à l'instabilité et à la superradiance, ainsi que des QNFs en violation de la censure cosmique. Notre dernière étude porte sur la recherche de signatures d'une nouvelle physique à l'aide d'OGs provenant de collisions de TNs binaires. Nous étudions les QNF d'un TN Schwarzschild 4D intégré dans un modèle extradimensionnel dont la partie compacte est un espace de courbure négative: un nilmanifold (tore torsadé). Nous montrons comment modéliser les perturbations du TN comme un champ test scalaire, avec la géométrie extradimensionnelle décrite dans le potentiel effectif comme un terme de masse au carré représentant une tour d'états de Kaluza-Klein. Cela nous permet d'appliquer notre compréhension des QNM massifs à la recherche de nouvelle physique. Enfin, nous examinons comment les données des OGs peuvent être incorporées dans les études des dimensions supplémentaires, en utilisant les tests pour les déviations paramétriques de la GR. En tirant parti des tests hiérarchiques de la RG effectués par la collaboration LIGO-Virgo-KAGRA, nous sommes en mesure de déterminer une éventuelle ''limite de détectabilité'' pour les dimensions supplémentaires.

Black hole (BH) quasinormal modes (QNMs) serve as an indispensable tool in the study of (semi-)classical and alternative theories of gravity, capable of describing the intricate dynamics of perturbed BH systems and of fully characterising their BH source. QNMs and their associated complex quasinormal frequencies (QNFs) offer insights into the nature of singularities, BH (in)stability, and principles like cosmic censorship and the no-hair conjecture. In the era of gravitational-wave (GW) astronomy, exploiting QNMs enables phenomenological analyses of GWs from BH mergers, enriching our understanding of fundamental physics and facilitating the search for new physics. We investigate BH QNMs through scalar fields propagating on fixed spherically-symmetric BH backgrounds, examining how field and spacetime parameters influence the QNF spectrum. Three distinct spacetimes are studied: the Schwarzschild BH, chosen for its simplicity; the charged Reissner-Nordström BH within asymptotically-de Sitter (RNdS) spacetime, representing the most complicated scenario within general relativity (GR); and an extra-dimensional spacetime of mixed curvature in which a four-dimensional Schwarzschild BH is embedded. Within the Schwarzschild spacetime, we investigate the influence of a field mass on the scalar QNF spectrum, where an upper bound can be derived beyond which QNMs fail to propagate. In contrast, low-mass QNFs exhibit anomalous behaviour, scaling inversely with angular momentum. We then extend our Schwarzschild QNM investigation to the development of a higher-order computation technique for the QNM wavefunction and excitation factor, where the latter offers a mode-specific measurement of relative excitation crucial for identifying specific modes in the GW spectrum. We then expand our interrogation of the effect of field and BH parameters on the QNFs by examining charged massive fields within the RNdS spacetime. Using a phase space diagram, we show how the cosmological constant enforces upper limits on the BH mass and charge. With this analysis, we review the Festina-Lente bound (derived from BH decay processes) that constrains field mass and charge, and the cosmic censorship conjecture that preserves determinism in GR. Through a semi-classical computation method tailored to the calculation of charged and massive scalar QNFs in the RNdS BH background, we show how QNFs evolve within the phase space; we demonstrate regular and anomalous QNF behaviours and their dependence on BH and field parameters. We find regions in the phase space predisposed to instability and superradiance, as well as QNFs in violation of cosmic censorship. Our final investigation focuses on the search for signatures of new physics using GWs from binary BH collisions. We investigate the QNFs of a 4D Schwarzschild BH embedded into an extra-dimensional model whose higher-dimensional manifold is a compact negative space: a nilmanifold (twisted torus). We show how we can model the BH perturbations as a scalar test field, with the extra-dimensional geometry stylised in the QNM effective potential as a squared mass-like term representing a Kaluza–Klein tower of states. This allows us to apply our understanding of massive QNMs to the search for new physics. Finally, we consider how GW data can be incorporated in QNM studies of extra dimensions, using tests for parametric deviations from GR as a proof-of-concept. In leveraging hierarchical tests of GR performed by the LIGO-Virgo-KAGRA Collaboration, we are able to determine a possible “detectability bound” beyond which extra dimensions cannot be detected using QNFs.