Trous noirs et cosmologie en gravitation quantique

Black holes and cosmology in quantum gravity

• Auteur / Autrice : Maxime De sousa
• Direction : Aurélien Barrau
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Physique Théorique
• Date : Inscription en doctorat le 30/09/2022
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale physique (Grenoble, Isère, France ; 1991-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de Physique Subatomique et Cosmologie

Mots clés

Mots clés libres

Boucles

Trous noirs

Cosmologie

Gravitation quantique

Cosmology

Black holes

Loops

Quantum gravity

Résumé

La recherche d'une théorie quantique de la gravitation est un enjeu majeur de physique théorique depuis plus d'un siècle. Aucun modèle tout-à-fait consensuel n'existe encore à ce jour. En revanche, un véritable lien avec les expériences commence à émerger et la phénoménologie de la gravitation quantique est une discipline en plein effervescence. C'est dans cette mouvance que la thèse s'inscrira. Le corpus théorique de base sera celui de la gravitation quantique à boucles qui est une tentative de quantification non-perturbative et invariante de fond des équations d'Einstein. L'encadrant de la thèse ainsi que les collaborateurs du groupe d'accueil ont une longue expérience dans ce domaine. Le premier volet de la thèse portera sur la théorie des champs de groupes. Il s'agit d'une classe particulière de théorie quantique des champs de tenseurs qui généralise les modèles de matrices en plus haute dimensionnalité. Concrètement, cet outil de physique mathématique permet d'implémenter de façon rigoureuse les idées de la gravitation quantique à boucles sans recourir à des approximations drastiques. Depuis des années, l'univers primordial est étudié dans ce cadre et des indications convaincantes existent en faveur de la cohérence de l'approche. Mais ce n'est que très récemment qu'une première étude des perturbations cosmologiques a été entreprise dans ce contexte. Les résultats obtenus à ce jour demeurent très théoriques et ne permettent pas de faire lien avec les observations. Nous entreprendrons dans cette thèse de faire le lien entre les mesures du satellite Planck ayant cartographié le rayonnement fossile et les premiers résultats obtenus en théorie des champs de groupes pour traiter les inhomogénéités. Il faudra construire des variables microscopiques dont les valeurs moyennes sont adaptées aux variables macroscopiques du problème. Il sera ensuite question d'étudier en profondeur les propriétés lorentziennes émergentes et la manière dont elles dérivent de la théorie mère. Enfin, les effets de « backreaction » devront être quantifiés. Il n'est pas non plus impossible que cette démarche permette de falsifier le modèle, ce qui demeure un résultat important en gravitation quantique. En l'état, il apparaît que les perturbations plus petites que l'horizon cosmologique ne coïncident pas avec les prédictions de la relativité générale. La résolution de ce paradoxe sera au cœur du projet. Le second volet de la thèse aura trait à la proposition de Hawking et Hartle concernant le traitement des conditions initiales en cosmologie quantique (3). Leur méthode consistant à sommer sur les géométries « fermées » après une rotation de Wick s'est avérée fructueuse mais insuffisante. Récemment, il a été montré que les idées de la cosmologie quantique à boucles permettaient d'éclairer la situation d'un nouveau jour (4). Cette dernière conduit en effet naturellement à l'apparition d'un espace euclidien dans l'Univers primordial, permettant une implémentation naturelle et rigoureuse des idées de Hawking et Hartle. La thèse portera sur le traitement des perturbations dans cette approche. Au-delà des critères de stabilité, il s'agira de calculer explicitement l'évolution des différents modes le long de « l'instanton » décrivant la dynamique du fond. La question des conditions initiales est pointue mais entièrement déterminée par l'approche. L'objectif ultime consisterait à calculer un spectre de puissance qui puisse être comparé aux observations. En parallèle, différents travaux seront menés en physique des trous noirs. En particulier concernant le calcul des modes quasi-normaux et des coefficients de corps gris, dans différents modèles de gravitation quantique.

The thesis will be in the line of the previous activities of the group on the phenomenology of Quantium gravity. (See https://inspirehep.net/literature?sort=mostrecent&size=25&page=1&q=find%20a%20barrau) Both the early universe (general perturbations beyond GR) and black holes (QNMs and greybody factors) will be considered.