La relativité générale est la théorie rendant compte de la gravitation via une déformation de l'espace-temps. Son application à l'Univers permet, dans le modèle Lambda-CDM, de bien rentre compte des observations cosmologiques. Cependant, à l'échelle de Planck, la théorie ne fonctionne plus et s'avère incohérente. Pour résoudre ce problème, il est sans doute essentiel de tenir compte des effets quantiques. Depuis près d'un siècle, concilier relativité générale et mécanique quantique est considéré comme une priorité de la physique théorique. La tâche s'avère néanmoins extraordinairement difficile et cette thèse est consacrée à l'une des pistes les plus sérieuses : la gravitation quantique à boucles. Pour aller de l'avant dans cette démarche nécessaire mais complexe, des confrontation avec des données expérimentales seraient essentielles. Nous nous sommes ainsi intéressés aux perturbations cosmologiques générées dans ce cadre. Nous avons étudié en détails les conséquences phénoménologiques des corrections de cosmologie quantique à boucles aux modes tensoriels dans un modèle d'univers en rebond. Une analyse de Fisher a été développée pour comparer ces prédictions aux éventuelles futures observations. Pour les autres modes, nous nous sommes placés dans un formalisme spécifique incluant le calcul de contre-termes permettant de prévenir l'apparition d'anomalies dans la structure de l'algèbre des contraintes. Ce formalisme a été appliqué aux cas des perturbations vectorielles puis scalaires. Les équations du mouvement invariantes de jauges permettant de calculer les spectres ont alors été dérivées.

We obtain the general solution of the Einstein-(anti) Maxwell-(anti) Dilaton (EMD) theory for a static, spherically symmetric spacetime in four dimensions. In the phantom (anti) cases, we obtain new solutions with non-degenerate horizon and make the analysis of their causal structures. The causal structures of some solutions are exotics, some of them can not be described in two-dimensional usual Penrose diagrams. We obtain also, using the method of Sigma model, new stationary solutions with axial symmetry, for Einstein-anti-Maxwell-Dilaton (EM¯\bar{M}D) and Einstein-anti-Maxwell-Dilaton-Axion (EM¯\bar{M}DA) theory. We analyse the causal structure of these new solutions.

Nous étudions les conséquences cosmologiques des anomalies de Weyl qui émergent de la renormalisation des opérateurs composés des champs, y compris la métrique. Ces anomalies sont codifiées dans les habillements gravitationnels des opérateurs dans une action effective quantique non-locale. Nous obtenons les équations d'évolution qui découlent de cette action et nous en cherchons des solutions cosmologiques. Par simplicité on se limite à la gravité d'Einstein-Hilbert avec une constante cosmologique. Nous initions par considérer la gravité en deux dimensions, où la théorie de Liouville nous permet de calculer l'habillement gravitationnel de la constant cosmologique. Avec une formulation invariante de Weyl, nous déterminons l'action effective et le tenseur de moment correspondant, qui deviennent non-locaux. Les anomalies de Weyl modifient le tenseur entier, pas seulement sa trace, et nous trouvons une énergie du vide qui décline avec le temps et un ralentissement de l'expansion de de Sitter à une de quasi-de Sitter. En quatre dimensions, motivés par nos résultats en deux dimensions, nous paramétrisons l'action effective avec des habillements gravitationnels générales. Dans le cas des dimensions anormales constantes, le tenseur de moment conduit encore à une énergie du vide qui décline et une expansion de quasi-de Sitter de roulement lent. Les dimensions anormales sont calculables à priori dans une certaine théorie microscopique avec des méthodes semi-classiques. Même si les dimensions anormales sont petites en théorie des perturbations, leur contribution intégrée le long des plusieurs e-folds pourrait mener à des effets significatifs pendant la cosmologie primordiale. / In this thesis we study the cosmological consequences of Weyl anomalies arising from the renormalization of composite operators of the fundamental fields, including the metric. These anomalies are encoded in the gravitational dressings of the operators in a non-local quantum effective action. We derive the evolution equations that follow from this action and look for cosmological solutions. For simplicity, we focus on Einstein-Hilbert gravity with a cosmological constant. We first consider two-dimensional gravity, where Liouville theory allows us to compute the gravitational dressing of the cosmological constant operator. Using a Weyl-invariant formulation, we determine the gauge-invariant but non-local effective action, and compute the corresponding non-local momentum tensor. The Weyl anomalies modify the full quantum momentum tensor, not only its trace, and hence lead to interesting effects in the cosmological dynamics. In particular, we find a decaying vacuum energy and a slow-down of the de Sitter expansion. In four dimensions, motivated by our results in two dimensions, we parametrize the effective action with scale-dependent gravitational dressings, and compute the general evolution equations. In the approximation of constant anomalous dimensions, the momentum tensor leads to a decaying vacuum energy and a slow-roll quasi-de Sitter expansion, just as in two dimensions. The anomalous dimensions are in principle computable in a given microscopic theory using semiclassical methods. Even though the anomalous dimensions are small in perturbation theory, their integrated effect over several e-folds could add up to something significant during primordial cosmology.

La relativité générale est la théorie rendant compte de la gravitation via une déformation de l'espace-temps. Son application à l'Univers permet, dans le modèle Lambda-CDM, de bien rentre compte des observations cosmologiques. Cependant, à l'échelle de Planck, la théorie ne fonctionne plus et s'avère incohérente. Pour résoudre ce problème, il est sans doute essentiel de tenir compte des effets quantiques. Depuis près d'un siècle, concilier relativité générale et mécanique quantique est considéré comme une priorité de la physique théorique. La tâche s'avère néanmoins extraordinairement difficile et cette thèse est consacrée à l'une des pistes les plus sérieuses : la gravitation quantique à boucles. Pour aller de l'avant dans cette démarche nécessaire mais complexe, des confrontation avec des données expérimentales seraient essentielles. Nous nous sommes ainsi intéressés aux perturbations cosmologiques générées dans ce cadre. Nous avons étudié en détails les conséquences phénoménologiques des corrections de cosmologie quantique à boucles aux modes tensoriels dans un modèle d'univers en rebond. Une analyse de Fisher a été développée pour comparer ces prédictions aux éventuelles futures observations. Pour les autres modes, nous nous sommes placés dans un formalisme spécifique incluant le calcul de contre-termes permettant de prévenir l'apparition d'anomalies dans la structure de l'algèbre des contraintes. Ce formalisme a été appliqué aux cas des perturbations vectorielles puis scalaires. Les équations du mouvement invariantes de jauges permettant de calculer les spectres ont alors été dérivées. / General relativity describes gravity as a deformation of space-time. Applied to the Universe as a whole, it explains well cosmological observations in the lambda-CDM paradigm. However, at the Planck scale, the theory is not anymore self-consistent. It is most probably necessary to include quantum effects. For a century, this has been considered as one of the main challenges for theoretical physics. This is however an extremely difficult aim to reach and this thesis is devoted to one of the main proposal: Loop Quantum Gravity. To go ahead in the construction of any quantum theory of gravity, it would be most useful to compare predictions with observations. To this aim, we have studied cosmological perturbations in this framework. We have investigated into the details the phenomenological consequences of loop quantum cosmology corrections in a bouncing universe. A Fisher analysis was carried out to compare the predictions with future data. For the other modes, we have used a specific formalism to include counterterms that prevent anomalies from appearing in the algebra of constraints. This formalism was applied to vector and scalar perturbations. The gauge-invariant equations of motion leading to the calculation of measurable spectra were derived.

Cette thèse s'inscrit dans le cadre de la modélisation des ondes gravitationnelles et du mouvement relativiste associés aux systèmes binaires à grand rapport de masses (Extreme Mass Ratio Inspiral - EMRI). Ces systèmes sont formés d'un trou noir super massif autour duquel gravite un objet compact de masse stellaire. Dans le formalisme de la théorie perturbative des trous noirs, on développe une méthode numérique qui calcule les formes d'ondes produites par une particule ponctuelle en orbite autour d'un trou noir de Schwarzschild. Il s'agit de résoudre l'équation d'onde de Regge-Wheeler-Zerilli dans le domaine temporel dont la solution, invariante de jauge, peut être reliée aux modes de polarisation, à l'énergie et au moment cinétique emporté par les ondes gravitationnelles. En réaction à l'énergie et au moment perdu, la trajectoire de la particule est affectée au cours du temps. Dans le cadre du formalisme de MiSATaQuWa, on calcule la force propre agissant sur une particule, initialement au repos, est en chute libre sur un trou noir de Schwarzschild. Nous montrons comment cette quantité est définie dans la jauge de Regge-Wheeler par le biais de la régularisation mode-sum. L'effet de la force propre sur le mouvement de la particule est ensuite pris en compte de façon itérative et auto-consistante grâce à un algorithme utilisant une méthode d'orbites osculatrices que nous avons développé. Nous quantifions cet effet en calculant soit la déviation orbitale par rapport au mouvement géodésique, soit les formes d'ondes perturbées et l'énergie rayonnée associée.

La gravité quantique à boucles est une théorie candidate à la description unifiée de la relativité générale et de la mécanique quantique à l'échelle de Planck. Cette théorie peut être formulée de deux manières. L'approche canonique, d'une part, cherche à résoudre l'équation de Wheeler--DeWitt et à définir les états physiques. L'approche par les écumes de spins, d'autre part, a pour but de calculer les amplitudes de transition de la gravité quantique via une intégrale de chemin covariante. Ces deux approches s'appuient sur a même structure d'espace de Hilbert, mais la question de leur correspondance exacte reste un important problème ouvert à ce jour. Dans ce travail de thèse, nous présentons quatre résultats en rapport avec ces deux approches. Après un premier chapitre introductif, le second chapitre concerne l'étude de la théorie classique. Historiquement, l'introduction des variables d'Ashtekar complexes (self-duales) dans la formulation hamiltonienne de la relativité générale fut motivée par l'obtention d'une contrainte scalaire polynomiale. Cette simplification drastique est à la base du programme de la gravité quantique à boucles. Pour un certain nombre de raisons techniques, ces variables complexes furent ensuite abandonnées au profit des variables d'Ashtekar-Barbero, pour lesquelles le groupe de jauge est SU(2). Avec ce choix de variables réelles, la contrainte hamiltonienne n'est malheureusement plus polynomiale. La formulation en terme des variables SU(2) réelles peut être obtenue à partir de l'action de Holst, qui contient le paramètre dit de Barbero-Immirzi comme constante de couplage additionnelle. Dans un premier temps, nous allons utiliser les variables d'Ashtekar complexes pour effectuer l'analyse canonique de l'action de Holst avec un paramètre de Barbero-Immirzi réel. Les contraintes qui découlent de cette analyse canonique dépendent de ce paramètre libre, et ont l'avantage d'être polynomiales. Afin de garantir que la métrique soit une quantité réelle, un ensemble de contraintes de réalité doivent être imposées. Il s'avère que ces conditions de réalité correspondent aux contraintes de simplicité linéaires utilisées pour la construction des modèles d'écumes de spins. Ces contraintes sont préservées par l'évolution hamiltonienne si et seulement si la connexion est sans torsion. Cette condition sur l'absence de torsion est en fait une contrainte secondaire de l'analyse canonique. La second chapitre concerne également la théorie classique, mais s'intéresse à sa discrétisation en terme des variables de premier ordre dites holonomie-flux. L'espace des phases qui résulte de cette construction possède une structure non-linéaire. Le formalisme des twisteurs permet d'accommoder cette non-linéarité en travaillant sur un espace des phases linéaire paramétré par les coordonnées canoniques de Darboux. Ce formalisme fut introduit par Freidel et Speziale, mais uniquement dans le cas des variables SU(2) d'Ashtekar-Barbero. Nous généralisons ce résultat au cas du groupe de Lorentz. Nous étudions ensuite la dynamique en terme d'écumes de spins obtenue à partir de ces variables, et développons une nouvelle formulation hamiltonienne de la gravité discrétisée. Ce nouveau formalisme est obtenu en écrivant l'action de la théorie continue sur une discrétisation simpliciale de l'espace-temps fixée. L'action discrète ainsi obtenue est la somme de l'analogue en terme de spineurs d'une action topologique de type BF et des contraintes de réalité qui garantissent l'existence d'une métrique réelle. Cette action est polynomiale en terme des spineurs, ce qui permet de procéder à sa quantification canonique de manière relativement aisée. Le dernier chapitre s'intéresse à la théorie quantique obtenue suivant cette procédure. Les amplitudes de transition reproduisent celles du modèle d'écume de spins EPRL (Engle Pereira Rovelli Livine). Ce résultat est intéressant car il démontre que la formulation de la gravité quantique en termes d'écumes de spins peut être obtenue à partir d'une action classique écrite en terme de spineurs.

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).

Au delà de la simple définition formelle d'un trou noir comme solution des équations d'Einstein dans le vide, il existe, comme l'a souligné Kip Thorne, depuis 1971 et l'observation du système binaire Cygnus X1, jusqu'aux hypothèses les plus récentes relatives à l'existence de trous noirs supermassifs au centre de nombreuses galaxies, des indices observationnels confortant leur existence dans l'Univers et motivant ainsi leur étude. En physique, nous le savons, pour obtenir des informations essentielles sur les interactions entre particules fondamentales, atomes, molécules, etc..., ainsi que sur la structure des objets composés, nous devons procéder à des expériences de collision ou plus précisément de diffusion. C'est ce qui constitue précisément l'objet de ce travail de thèse. En effet, en analysant comment un trou noir interagit avec son environnement, nous sommes en droit d'attendre des informations essentielles sur ces ''objets invisibles''. Cette étude sera également très utile pour comprendre, notamment, le signal que l'on devrait recevoir, prochainement, par le biais de la nouvelle génération de détecteurs d'ondes gravitationnelles. Ce travail se concentre donc principalement sur les phénomènes sous-jacents aux processus de diffusion par des trous noirs, i.e. les phénomènes de résonance et d'absorption. Toute l'originalité de cette étude repose sur le fait que nous proposons de nous intéresser à ces phénomènes du point de vue d'une théorie semiclassique dite " théorie du moment angulaire complexe ", mettant ainsi au cœur de la physique des trous noirs les concepts de matrice S ainsi que les techniques relatives aux pôles de Regge, tel que l'a suggéré implicitement Chandrasekhar au milieu des années soixante-dix. Cette approche nous permet de donner une interprétation physique, simple et intuitive, des phénomènes de résonance et d'absorption d'un champ, en l'occurrence d'un champ scalaire, massif ou non, par des trous noirs.