Coalescing black hole binaries in general relativity & The dark matter problem in astrophysics
Coalescence de trous noirs en relativité générale & Le problème de la matière noire en astrophysique
Résumé
The first part of this PhD thesis is concerned with the modelling of the gravitational radiation emitted by coalescing binary black holes, to be detected by the ground and spaced-based gravitational-wave antennas LIGO/VIRGO and LISA. We study the relativistic dynamics of such compact binary systems using two approximation schemes in general relativity: the post-Newtonian formalism, and the self-force approach, a natural extension of black hole perturbation theory; we demonstrate the consistency of these results in their common domain of validity. We then combine these same two perturbative methods in order to estimate the gravitational recoil effect for coalescing binaries of Schwarzschild black holes; the results are shown to be in very good agreement with those obtained from simulations in numerical relativity. The second part of this thesis is devoted to the dark matter problem in astrophysics. The dark matter hypothesis successfully accounts for many independent observations from cosmological down to galaxy cluster scales. However, observations at the galactic scale are better reproduced by the modified Newtonian dynamics (MOND) proposal, which posits a modification of the fundamental laws of gravity in the absence of dark matter. We propose a third alternative: retaining the standard theory of gravitation, while endowing the dark matter particles with a property of polarizability in a gravitational field, in order to account for the phenomenology of MOND at the scale of galaxies.
La première partie de cette thèse s'inscrit dans le cadre de la modélisation des ondes gravitationnelles en provenance des systèmes binaires coalescents de trous noirs, dans la perspective de leur détection par les antennes gravitationnelles terrestres LIGO/VIRGO et spatiale LISA. Nous étudions la dynamique relativiste de tels systèmes binaires d'objets compacts à l'aide de deux méthodes d'approximation en relativité générale : les développements post-newtoniens, et le formalisme de la force propre, une extension naturelle de la théorie des perturbations d'un trou noir ; nous démontrons la cohérence des résultats ainsi obtenus dans leur domaine de validité commun. Dans un second temps, nous combinons ces deux méthodes perturbatives afin d'estimer l'effet de recul gravitationnel lors de la coalescence de deux trous noirs de Schwarzschild ; nos résultats sont en très bon accord avec ceux obtenus par des simulations en relativité numérique. La seconde partie de cette thèse traite du problème de la matière noire en astrophysique. L'hypothèse de la matière noire rend compte de nombreuses observations indépendantes de l'échelle des amas de galaxies jusqu'aux échelles cosmologiques. Les observations à l'échelle galactique sont toutefois en bien meilleur accord avec la phénoménologie de la dynamique newtonienne modifiée (MOND), qui postule une modification des lois de la gravité en l'absence de matière noire. Nous proposons une troisième alternative : conserver la théorie de la gravitation standard, mais doter la matière noire d'une propriété de polarisabilité dans un champ gravitationnel, de façon à rendre compte de la phénoménologie de MOND à l'échelle des galaxies.