Trous noirs primordiaux et ondes gravitationnelles dans l'univers primordial

Primordial black holes and gravitational waves from the early universe

• Auteur / Autrice : Alice Albouy
• Direction : Vincent Vennin
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Physique
• Date : Inscription en doctorat le 01/09/2025
• Etablissement(s) : Université Paris sciences et lettres
• Ecole(s) doctorale(s) : Physique en Ile de France
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de Physique de l'École normale supérieure
• Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : Ecole normale supérieure

Mots clés

Mots clés libres

Inflation cosmologique

Trous noirs primordiaux

Ondes gravitationnelles

Cosmologie primordiale

Gravitational waves

Cosmic inflation

Early-universe cosmology

Primordial black holes

Résumé

Le projet de thèse porte sur l'étude de mécanismes donnant naissances à de grandes fluctuations de densité dans l'univers primordial, notamment durant la phase d'expansion accélérée nommée 'inflation'. De telles fluctuations de grandes tailles pourraient être à l'origine des observations récentes d'objets extrêmes à haut redshift (galaxies précoces, clusters de galaxies ultra-massifs, etc), dont l'existence reste à ce jour inexpliquée. Ces fluctuations sont également susceptibles de donner naissance à des trous noirs primordiaux, qui pourraient expliquer la matière noire ainsi que l'existence de trous noirs supermassifs au centre des galaxies. Au niveau théorique, ces grandes fluctuations représentent un véritable défi, car elles rendent impossible l'usage des méthodes perturbatives sur lesquelles l'essentiel de la phénoménologie inflationnaire est construite. Nous ferons donc usage de méthodes non-perturbatives, notamment le formalisme de l'inflation stochastique, pour décrire les fluctuations de densité dans l'univers primordial en présence de rétro-action gravitationnelle. L'objectif est de caractériser les propriétés statistiques des trous noirs primordiaux, leur distribution spatiale, le taut avec lequel ils fusionnent au cours de l'évolution de l'univers, et le fonds diffus d'ondes gravitationnelles attendu de ces fusions. Le projet, essentiellement théorique et phénoménologique, repose sur l'emploi de méthodes analytiques et numériques. Une version plus détaillée en est présentée dans le document joint.

The thesis project focuses on studying the mechanisms that give rise to large density fluctuations in the primordial universe, particularly during the phase of accelerated expansion known as 'inflation.' Such large fluctuations could be the origin of recent observations of extreme high-redshift objects (early galaxies, ultra-massive galaxy clusters, etc.), the existence of which remains unexplained to this day. These fluctuations could also give rise to primordial black holes, which might explain dark matter as well as the existence of supermassive black holes at the centers of galaxies. At the theoretical level, these large fluctuations present a real challenge, as they render the use of perturbative methods, upon which most of the inflationary phenomenology is built, impossible. Therefore, we will use non-perturbative methods, particularly the formalism of stochastic inflation, to describe density fluctuations in the primordial universe in the presence of gravitational backreaction. The goal is to characterize the statistical properties of primordial black holes, their spatial distribution, the rate at which they merge during the evolution of the universe, and the stochastic gravitational-wave background expected from these mergers. The project, primarily theoretical and phenomenological, relies on the use of analytical and numerical methods. A more detailed version is presented in the attached document.