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We extend previous work (2020Class. Quantum Grav. 37 075001)to the case of Maxwell’s equations with a source. Our work shows how to construct a vector potential for the Maxwell field on the Kerr–Newman background in a radiation gauge. The vector potential has a ‘reconstructed’ term obtained from a Hertz potential solving Teukolsky’s equation with a source, and a ‘correction’ term which is obtainable by a simple integration along outgoing principal null rays. The singularity structure of our vector potential is discussed in the case of a point particle source

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<p>The properties of neutron stars and black holes are investigated within a class of alternative theories of gravity known as Scalar-Tensor theories, which extend General Relativity by introducing additional light scalar fields to mediate the gravitational interaction.</p> <p>It has been known since 1993 that neutron stars in certain Scalar-Tensor theories may undergo ‘scalarization’ phase transitions. The Weak Central Coupling (WCC) expansion is introduced for the purpose of describing scalarization in a perturbative manner, and the leading-order WCC coefficients are calculated analytically for constant-density stars. Such stars are found to scalarize, and the critical value of the quadratic scalar-matter coupling parameter β_s = −4.329 for the phase transition is found to be similar to that of more realistic neutron star models.</p> <p>The influence of cosmological and galactic effects on the structure of an otherwise isolated black hole in Scalar-Tensor gravity may be described by incorporating the Miracle Hair Growth Formula discovered by Jacobson in 1999, a perturbative black hole solution with scalar hair induced by time-dependent boundary conditions at spatial infinity. It is found that a double-black-hole binary (DBHB) subject to these boundary conditions is inadequately described by the Eardley Lagrangian and emits scalar dipole radiation.</p> <p>Combining this result with the absence of observable dipole radiation from quasar OJ287 (whose quasi-periodic ‘outbursts’ are consistent with the predictions of a general-relativistic DBHB model at the 6% level) yields the bound |φ/Mpl| < (16 days)^-1 on the cosmological time variation of canonically-normalized light (m < 10⁻²³ eV) scalar fields at redshift z ∼ 0.3.</p> / Doctor of Philosophy (PhD)

京都大学 / 新制・課程博士 / 博士(理学) / 甲第25109号 / 理博第5016号 / 新制||理||1715(附属図書館) / 京都大学大学院理学研究科物理学・宇宙物理学専攻 / (主査)教授 橋本 幸士, 教授 杉本 茂樹, 教授 田島 治 / 学位規則第4条第1項該当 / Doctor of Agricultural Science / Kyoto University / DFAM

Le problème des singularités en relativité générale remonte à la première solution exacte de la théorie obtenue en 1915, à savoir celle du trou noir de Schwarzschild. Qu'elles soient de coordonnée ou de courbure, ces singularités ont longtemps questionné les physiciens qui parvinrent à mieux les caractériser à la fin des années 1960. Cela conduisit aux fameux théorèmes sur les singularités, s'appliquant à la fois aux trous noirs et en cosmologie, basés sur un comportement classique du contenu en matière de l'espace-temps résumé par des conditions d'énergie. La violation de ces conditions dans les processus quantiques pourrait indiquer que les singularités doivent être vues comme des limitations de la relativité générale, pouvant ainsi disparaître dans une théorie plus générale de la gravité quantique.Dans l'attente d'une telle théorie, nous avons pour objectif dans cette thèse d'étudier les espaces-temps de trous noirs dépourvus de toute singularité ainsi que leurs conséquences observationnelles. A cette fin, nous considérons à la fois des modifications de la relativité générale et le couplage de la théorie à des contenus en matière exotiques. Dans le premier cas nous montrons qu'il est possible de retrouver des trous noirs réguliers à symétrie sphérique connus, tout d'abord en principe avec la théorie tenseur-scalaire de gravité mimétique, puis implicitement par le biais d'une déformation de la contrainte hamiltonienne en relativité générale inspirée des techniques de gravitation quantique à boucles. Dans le second cas nous restons dans le cadre de la relativité générale, et considérons des tenseurs énergie-impulsion effectifs. Ils sont en premier lieu associés à un modèle régulier à la Hayward en rotation fournissant dans un certain régime un premier exemple de trou noir en rotation exempt de toute singularité, puis à un espace-temps dynamique décrivant la formation et l'évaporation d'un trou noir sans singularité. Pour ce dernier, nous montrons que tout modèle basé sur l'effondrement gravitationnel de coquilles de genre lumière visant à décrire l'évaporation de Hawking est voué à violer les conditions sur l'énergie dans une région non compacte de l'espace-temps. Enfin, l'étude théorique de la métrique de Hayward en rotation est accompagnée de simulations numériques d'un tel objet au centre de la Voie Lactée, obtenues à l'aide du code de calcul de trajectoires de particules Gyoto en reproduisant les propriétés connues de la structure d'accrétion du trou noir présumé Sgr A*. Ces simulations permettent d'illustrer deux régimes très différents de la métrique, avec ou sans horizon, et soulignent la difficulté d'affirmer avec certitude la présence d'un horizon à partir d'images en champ fort telles que celles obtenues par l'instrument Event Horizon Telescope. / The issue of singularities in General Relativity dates back to the very first solution to the equations of the theory, namely Schwarzschild's 1915 black hole. Whether they be of coordinate or curvature nature, these singularities have long puzzled physicists, who managed to better characterize them in the late 60's. This led to the famous singularity theorems applying both to cosmology and black holes, and which assume a classical behaviour of the matter content of spacetime summarized in the so-called energy conditions. The violation of these conditions by quantum phenomena supports the idea that singularities are to be seen as a limitation of General Relativity, and would be cured in a more general theory of quantum gravity. In this thesis, pending for such a theory, we aim at investigating black hole spacetimes deprived of any singularity as well as their observational consequences. To that purpose, we consider both modifications of General Relativity and the coupling of Einstein's theory to exotic matter contents. In the first case, we show that one can recover the static spherically symmetric non-singular black holes of Bardeen and Hayward in principle in mimetic gravity, and implicitly by a deformation of General Relativity's hamiltonian constraint in an approach based on loop quantum gravity techniques. In the second case, we stay inside the framework of General Relativity and consider effective energy-momentum tensors associated with a fully regular rotating Hayward metric and with a dynamical spacetime describing the formation and evaporation of a non-singular black hole. For the latter, we show that all models based on the collapse of ingoing null shells and willing to describe Hawking’s evaporation are doomed to violate the energy conditions in a non-compact region of spacetime. Lastly, the theoretical study of the rotating Hayward metric comes with numerical simulations of such an object at the center of the Milky Way, using the ray-tracing code Gyoto and mimicking the known properties of the accretion structure of Sgr A*. These simulations allow exhibiting the two very different regimes of the metric, with or without horizon, and emphasize the difficulty of asserting the presence of a horizon from strong-field images as the ones provided by the Event Horizon Telescope.

The thesis is divided into two loosely connected parts: the first one is concerned with three dimensional Topologically massive gravity (TMG) and the other is devoted to generating solutions of black objects within five minimal dimensional supergravity theory (mSUGRA5).

This thesis explores the links between different ways of modelling the physical world. Finite difference numerical simulations may be used to encode the behaviour of physical systems, allowing us to gain insight into their workings and even to predict their behaviour. Similarly, one can investigate the properties of gravitational black holes through the use of analogue black holes, physical systems which share at least some part of the physics of the astronomical objects. Concentrating on black hole analogues using Bose-Einstein condensates, I show how simulations of these systems may be greatly assisted through the use of a proper absorbing boundary condition, the Perfectly Matched Layer. Such a boundary condition allows the effcient truncation of the computational domain, both saving computational time and increasing accuracy. I then apply this technique to the simulation of the supersonic flow of a Bose-Einstein condensate through a Laval nozzle, a black hole analogue, showing that such a flow should be stable and observable in the laboratory. Moving to a related system, I investigate the optical analogue of the Iordanskii force - the friction resulting from interaction between excitations in a superfluid's normal component and a superfluid vortex - through the simulation of such a vortex in a Bose-Einstein condensate illuminated by slow light, which is light whose group velocity is on the order of metres per second. The interaction of the slow light with the vortex should produce a momentum transfer due to the optical Aharonov-Bohm effect, exerting a force on the vortex. The coupled system of equations describing the condensate-slow light system is simulated, giving some surprising results.

Zusammenfassung In den letzten Jahren haben Schwarze Löcher viel Aufmerksamkeit auf sich gezogen, insbesondere wegen ihrer ungewöhlichen quantentheoretischen Eigenschaften. Ein in diesem Zusammenhang interessantes Modell ist das geeichte SL(2,R)/U(1)-Wess-Zumino-Novikov-Witten-Modell, das im Rahmen der Stringtheorie als Euklidisches zweidimensionales Schwarzes Loch interpretiert werden kann. Die vorliegende Arbeit analysiert die klassischen Eigenschaften dieses Modells, um so die Grundlage für quantentheoretische Untersuchungen zu schaffen. Ausgangspunkt ist eine allgemeine Betrachtung über geeichte Wess-Zumino-Novikov-Witten-Modelle (WZNW-Modelle). Herkömmlicherweise werden sie mit Hilfe von Eichfeldern formuliert, deren Bewegungsgleichungen rein algebraisch sind. In der vorliegenden Arbeit werden die Eichfelder aus den Modellen eliminiert. Dabei entsteht eine Klasse von nichtlinearen integrablen konformen Feldtheorien, für deren Bewegungsgleichung eine explizite Lax-Paar-Darstellung abgeleitet wird. Diese Ergebnisse werden auf das geeichte SL(2,R)/U(1)-WZNW-Modell spezialisiert. Zum Vergleich wird auch die Eliminierung des Eichfeldes durch explizite Pfadintegration untersucht, die jedoch aufgrund mathematischer Ambiguitäten nicht zu einem abschließenden Ergebnis geführt wird. Das klassische geeichte SL(2,R)/U(1)-WZNW-Modell wird sowohl in einem unendlich ausgedehnten Minkowski-Raum als auch mit räumlich periodischen Randbedingungen untersucht. Letzteres ist für die stringtheoretische Interpretation des Modells wichtig. Es werden die nichtlinearen Bewegungsgleichungen und ihre allgemeine Lösung angegeben. Diese enthält Parameterfunktionen. Es wird ein Verfahren abgeleitet, um die Parameterfunktionen aus vorgegebenen Anfangsbedingungen zu bestimmen. Mit Hilfe dieses Verfahrens werden die Poissonklammern der Parameterfunktionen aus den kanonischen Poissonklammern der physikalischen Felder berechnet. Es wird gezeigt, daß es eine nichtlokale kanonische Transformation der nichtlinearen physikalischen Felder auf freie Felder gibt. Die entsprechende Bäcklund-Transformation wird angegeben. / Abstract In recent years, Black Holes have attracted much attention, in particular, because of their unusual quantum-theoretical properties. An interesting model, in this context, is the SL(2,R)/U(1) gauged Wess-Zumino-Novikov-Witten model, which can be interpreted stringtheoretically as Euclidean two-dimensional Black Hole. The present dissertation analyzes the classical properties of this model, in order to prepare the basis for quantum-theoretical investigations. First, gauged Wess-Zumino-Novikov-Witten (WZNW) models are intoduced in general. Usually, they are formulated including gauge fields, whose equations of motion are purely algebraic. In the present dissertation, the gauge fields are eliminated from the models. A class of non-linear integrable field theories arises, whose equations of motion can be represented by Lax pairs explicitly. These results are specialized to the SL(2,R)/U(1) gauged WZNW model. For comparison, the elimination of the gauge field by explicit path integration is also investigated. But due to mathematical ambiguities, this investigation does not lead to a final result. The classical SL(2,R)/U(1) gauged WZNW model is investigated in an infinitely extended Minkowski space-time as well as with spatially periodic boundary conditions. The latter is important for the stringtheoretical interpretation of the model. The non-linear equations of motion and their general solution are given. A procedure is derived to determine the parameter functions of the general solution from given initial conditions of the equations of motion. By means of this procedure the Poisson brackets of the parameter functions are calculated from the canonical Poisson brackets of the physical fields. It is shown that there is a non-local canonical transformation of the non-linear physical fields onto free fields. The corresponding Backlund transformation is presented.

Ce travail porte sur la vie psychique des populations sans domicile fixe, des exclus ou des sujets gravement précaires. Malgré les différents profils parsemant ce public, l’errance n’est pas un épiphénomène survenant autour de pathologies psychiatriques mais une maladie psychique profonde, singulière, et non réductible à d’autres entités nosographiques. C’est une configuration psychodynamique qui prend son origine dans une incapacité à se loger dans l’objet primaire, c’est-à-dire à se sentir contenu dans sa préoccupation et dans sa fonction de rêverie, créant un « trou noir » dans lequel l’errant menace sans cesse de tomber. Les mécanismes défensifs associés à cette psychodynamique ont des effets sur l’aménagement de l’extériorité : l’extériorité est un prisme où s’articulent l’espace, le corps, la sensorialité et l’objet. Si d’ordinaire, l’extériorité fonctionne de manière silencieuse, dans l’errance elle se révèle bruyante et symptomatique, si bien que les différents espaces qui constituent l’extériorité se collusionnent. Pour analyser ces emmêlements de l’extériorité, l’investigation clinique s’est effectuée sur les champs de la grande exclusion par la participation à des équipes mobiles psychiatrie-précarité et au Samu Social, mais également par la création de groupes de parole et à médiation au sein d’accueils de jour. La présentation des pratiques cliniques et du travail d’accompagnement social tentant de faire émerger un lien durable et sécurisé, fait partie des préoccupations de cette recherche. Au terme de ce travail, deux concepts sont proposés : celui de Manteau Cloacal, pouvant se définir comme une corruption autocalmante et autostimulante des enveloppes psychiques dans une recherche de contact avec l’objet primaire ; et celui d’Effondrement scénique, tentative pour forcer un « domicile psychique fixe » en l’objet par l’usage des sensations, de la mise en scène et d’une certaine forme de séduction. / This work concerns the psychic life of the populations without fixed residence, excluded or the seriously precarious subjects. In spite of the various profiles strewing this public, the wandering is not an epiphenomenon occurring around psychiatric pathologies but a major, singular psychic disease non-reducible with other nosographic entities. It is a psychodynamic configuration which takes its origin in incapacity to place itself in the primary object, i.e. to feel contained in its concern and its function of daydream, creating a « black hole » into which unceasingly the subject is likely to fall. The defensive mechanisms associated with this psychodynamic have effects on the externality: the externality is a prism where space, the body, the sensoriality and the object are articulated. So usually, the externality functions in a quiet way. But in the psychic wandering it appears noisy and symptomatic so that various spaces which constitute the externality mix. To analyze these mixings up of the externality, the clinical investigation was carried out on the fields of the great exclusion by the participation in psychiatry-precariousness mobile teams and Samu Social, but also by the creation of therapeutic group into social structures. Presentation of the clinical practices and the work of social accompaniment aiming to make emerge a durable and safe bond belonged to the concerns of this research. At the end of this work, two concepts are proposed: the Cloacal Coat, which can be defined as an anesthetic and stimulative psychic envelope in a search for contact with the primary object; and the Scenic Collapse, which attempt to force by the use of the sensoriality and a certain form of seduction, a « psychic residence » in the object.