Ludovico MACHET - Faculté des Sciences

Titre de la thèse: "Gravitational wave signatures of dark matter environments"

Résumé:

Les observations d’ondes gravitationnelles ont ouvert une nouvelle fenêtre pour l’étude de l’Univers gravitationnel. Les détections directes de trous noirs et d’étoiles à neutrons révèlent la dynamique des objets compacts et devraient améliorer notre compréhension de la gravité dans le régime de champ fort. Pour interpréter correctement ces signaux, il est nécessaire d’évaluer l’influence potentielle de la matière entourant leur source. Ce travail explore comment les effets de la matière modifient les propriétés des sources d’ondes gravitationnelles, en se concentrant sur un environnement composé de matière noire.

Nous modélisons d’abord un trou noir de Schwarzschild plongé dans une concentration de
matière noire, en dérivant un profil de densité de matière entièrement relativiste. Nous calculons les fréquences d’oscillation quasi-normales du système ainsi que sa réponse à une perturbation maréale. Le profil relativiste de matière noire génère à des valeurs distinctes pour les décalages de fréquence des modes quasi-normaux par rapport aux modèles non relativistes, tandis que les nombres de Love offrent une signature potentielle de la présence de matière noire. Nous introduisons ensuite un deuxième modèle pour la matière noire, un champ scalaire issu de modèles sigma non linéaires, motivé par la compactification en théorie des cordes. Nous étudions les solutions d’étoiles bosoniques pour ces modèles, des condensats auto-gravitants de champs bosoniques massifs. Nous montrons que ces théories ont des solutions sphériquement symétriques, dont les propriétés dépendent de la courbure du
mode sigma.

Ensuite, nous étudions la dynamique de ces champs scalaires dans les espaces-temps de trous noirs, en simulant leur accrétion sur des trous noirs isolés et leur impact sur les fusions de couples de trous noirs. Grâce à la relativité numérique, nous démontrons que la courbure du modèle sigma détermine si le champ scalaire se comporte avec une auto-interaction attractive ou répulsive, modifiant ainsi la physique de l’accrétion et l’émission d’ondes gravitationnelles.

En intégrant des théories des champs non linéaires, des profils de matière noire relativiste et des techniques numériques avancées, nous contribuons aux efforts visant à détecter des empreintes subtiles de physique exotique dans les signaux d’ondes gravitationnelles, ainsi qu’à améliorer les tests de haute précision de la relativité générale avec les futurs détecteurs d’ondes gravitationnelles.