Solutions exactes de trous noirs en théories scalaire-tenseur

Exact black hole solutions in scalar-tensor theories

• Auteur / Autrice : Nicolas Lecoeur
• Direction : Christos Charmousis, Eugeny Babichev
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 14/06/2024
• Etablissement(s) : université Paris-Saclay
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Physique en Île-de-France (Paris ; 2014-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de physique des deux infinis Irène Joliot-Curie (2020-....)
• 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 : Karim Noui
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Blaise Goutéraux, David Langlois, Laura Bernard, Danièle Steer, Francesco Nitti, Mokhtar Hassaïne
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Blaise Goutéraux, David Langlois

Mots clés

Mots clés contrôlés

Symétrie (physique)

Kaluza-Klein, Théories de

Gravité modifiée

Trous de ver (physique)

Trous noirs (astronomie)

Mots clés libres

Trous noirs chevelus

Scalaire-Tenseur

Réduction dimensionnelle

Symétries

Hairy black holes

Scalar-Tensor theories

Dimensional reduction

Symmetries

Résumé

La Relativité Générale admet une unique solution de trou noir, caractérisée par sa masse M, son moment angulaire J, et sa charge électrique Q. On dit donc que les trous noirs en Relativité Générale n'ont pas de cheveux, c'est-à-dire pas d'autre quantité physique indépendante (théorème de calvitie). Malgré les innombrables succès de la Relativité Générale, des problèmes subsistent, comme celui de la singularité au centre des trous noirs, où la courbure de l'espace-temps devient infinie. Les théories de gravité modifiée tentent de résoudre ces limitations. Cette thèse teste le théorème de calvitie dans une modification populaire de la gravitation, appelée théories scalaire-tenseur, où un unique degré de liberté (un champ scalaire) est ajouté à l'habituelle métrique de l'espace-temps de la Relativité Générale. En exploitant diverses symétries, de nouveaux trous noirs, dits chevelus, sont obtenus. Certains contournent véritablement le théorème de calvitie, en étant caractérisés par une nouvelle quantité, distincte de M, J ou Q. Un progrès intéressant est également réalisé, puisque dans certains cas, la singularité disparaît : la courbure de l'espace-temps demeure finie même au cœur du trou noir. Des liens théoriques sont établis entre les théories scalaire-tenseur (qui prennent place dans les quatre dimensions usuelles de l'espace-temps), et les théories de gravité en dimensions supérieures. Enfin, des propriétés propres aux théories scalaire-tenseur permettent de transformer des solutions initiales de trous noirs en d'autres solutions de géométrie très différente, comme des trous de ver.

General Relativity allows for a unique black hole solution, characterized by its mass M, angular momentum J, and electric charge Q. Black holes in General Relativity are thus said to have no hair, that is, no other independent physical quantity (no-hair theorem).Despite the numerous successes of General Relativity, some limitations remain, like the central singularity possessed by black holes, where the curvature of spacetime becomes infinite. Modified theories of gravity try to solve some of these shortcomings.This thesis tests the no-hair theorem in a popular modification of gravity, called scalar-tensor theories, where a unique degree of freedom (a scalar field) is added on top of the usual metric of spacetime of General Relativity. Using various symmetries, new black holes, called hairy black holes, are obtained. Some of them evade strongly the no-hair theorem, being characterized by a new quantity, distinct from M, J or Q. An interesting progress is also achieved, since in certain cases, the usual singularity disappears: the curvature of spacetime remains bounded even at the core of the black hole. Moreover, theoretical links are established between scalar-tensor theories (which take place in the usual four dimensions of spacetime), and theories of gravity in higher dimensions. Finally, certain particular properties of scalar-tensor theories enable to transform initial black hole solutions into other solutions with very distinct geometry, like wormholes.