DYNAMIQUE GRAVITATIONNELLE DE SCÉNARIOS DE CHAMP SCALAIRE POUR LA MATIÈRE NOIRE

Le sujet de cette thèse sera de développer des outils analytiques et numériques afin d'étudier des scénarios de matière noire ultralégère, du point de vue de leur dynamique gravitationnelle. Une première partie vise à étudier l'impact de halos de matière noire sur la dynamique des étoiles ou des trous noirs qui s'y trouvent, via l'accrétion ou des forces de freinage (friction dynamique) dues à la matière noire environnante. Nous étudierons également comment de tels effets pourraient être détectés, par exemple à travers la modification des formes d'onde des ondes gravitationnelles émises par des systèmes binaires, ou par la relaxation de sous-systèmes galactiques. Jusqu'à présent, nous avons étudié le cas des trous noirs de Schwarzschild (c'est-à-dire sans rotation) [1, 2]. Cependant, les trous noirs observés possèdent souvent un spin non négligeable (trous noirs de Kerr) et nous généraliserons donc notre étude au cas des trous noirs en rotation. Nous améliorerons également notre approche en tenant compte de l'auto-gravité du nuage de matière noire. Une fois le profil du halo de matière noire connu, nous calculerons le freinage qu'il exerce sur le trou noir ainsi que son impact sur la dynamique de deux trous noirs lors de la phase spiralante à grande distance. Nous obtiendrons ensuite la modification correspondante de la phase des ondes gravitationnelles émises par ce système binaire ainsi que les contraintes que l'on pourra déduire sur la densité du halo de matière noire grâce aux futures détections de LIGO/VIRGO et LISA. Une seconde partie vise à étudier la formation des structures dans ces scénarios alternatifs de matière noire ainsi que la dynamique subgalactique, en particulier la formation de lignes de vortex. Contrairement au modèle standard CDM, décrit par l'équation de Vlasov, le champ scalaire de matière noire obéit, dans le régime non relativiste, à une équation de Schrödinger non linéaire. Cela conduit à l'existence d'un équilibre hydrostatique (état fondamental), également appelé « soliton » ou « étoile bosonique » [3]. De plus, nous avons récemment montré que la rotation du nuage de matière noire conduit à la formation de vortex, comme dans les superfluides étudiés en laboratoire [4]. En prolongeant ces travaux antérieurs, nous étudierons plus en détail la formation de ces solitons et vortex ainsi que leur relaxation à l'aide de simulations numériques et d'approches analytiques. En particulier, nous examinerons leur impact sur les baryons (c'est-à-dire la matière lumineuse directement observable) et la relation entre ces lignes de vortex de matière noire et la toile cosmique. La répartition du travail entre ces deux sous-thématiques sera adaptée en fonction des progrès réalisés et des opportunités. École doctorale : Physique en Ile de France Direction : Patrick VALAGEAS Financement : Programme pour normalien (hors ENS Paris-Saclay) et polytechnicien