This thesis uses theoretical studies, and numerical simulations to provide results of the experimental reach to detect the QCD axion as dark matter in a Non-standard cosmological background. Assuming that the QCD axion constitutes the full CDM abundance of the universe, this thesis elaborates on its potential detection from experimental setups for the mass window of the axion. The set of results that is obtained here are the relic CDM energy density of axions produced by the vacuum realignment mechanism and the CDM energy density of axions produced from the decay of a network of cosmic strings. This thesis provides results regarding the possibility to detect a primordial gravitational wave relic, which is possible within some favorable cosmological scenarios for the background.

Στη γραμμική εκδοχή της γενικής θεωρίας της σχετικότητας, θεωρεί κανείς τις διαταραχές κάποιας μετρικής γύρω από κάποιο χωροχρονικό υπόβαθρο. Κρατώντας όρους διαταραχών μέχρι και πρώτης τάξεως, οδηγείται κανείς στις γραμμικές εξισώσεις Einstein. Σε αυτό το πλαίσιο αποδεικνύεται μια σχέση δυισμού ανάμεσα στα διάφορα στοιχεία του τανυστή Weyl, αντίστοιχη με το δυισμό ανάμεσα στην ηλεκτρική και τη μαγνητική ροή της ηλεκτρομαγνητικής θεωρίας του Maxwell. Στην εργασία αυτή κάνουμε μία ανασκόπηση της έρευνας που έχει γίνει μέχρι τώρα αναφορικά με αυτές τις σχέσεις δυισμού. Πιο συγκεκριμένα, εξετάζουμε την ισχύ των σχέσεων στον Anti-de Sitter χωρόχρονο και επισημαίνουμε το τρόπο με τον οποίο κατασκευάζει κανείς δυικές δομές από τις εκφράσεις για τις διαταραχές. Επίσης, χρησιμοποιώντας τη τεχνική της ολογραφικής επανακανονικοποίησης, εξετάζουμε το σύμμορφο σύνορο του χωροχρόνου. Βρίσκουμε εκεί μια σχέση δυισμού ανάμεσα στα στοιχεία του τανυστή ενέργειας-ορμής και του τανυστή Cotton της αντίστοιχης Chern - Simons θεωρίας, η οποία αποδεικνύεται ότι είναι άμεση συνέπεια του δυισμού στο AdS υπόβαθρο. Τέλος, εφαρμόζουμε την ίδια συλλογιστική στο Schwarzschild - Anti-de Sitter υπόβαθρο, όπου η παρουσία της μελανής οπής διαφοροποιεί τις συνοριακές συνθήκες του προβλήματος. Λόγω αυτού του γεγονός δεν μπορεί να πει κανείς με σιγουριά εάν μπορούν να διατυπωθούν σχέσεις δυισμού σε αυτή τη περίπτωση. Παρόλα αυτά βρίσκουμε ότι ισχύουν σχέσεις δυισμού στο σύμμορφο σύνορο παρόμοιες με αυτές του AdS υποβάθρου, πράγμα που σημαίνει ότι στο σύστημα παραμένει κάποια συμμετρία από τη γραμμική θεωρία. Η εργασία καταλήγει σε σχόλια και μία εκτενή συζήτηση για τις πιθανές μελλοντικές κατευθύνσεις. / In the linear version of the general theory of relativity, one considers metric perturbations around a fixed background. Keeping terms up to first order of perturbation leads to the linearized Einstein equations. In this framework it has been proved that a duality between the various elements of the Weyl tensor holds. This duality is similar to the one between the electric and magnetic fluxes of Maxwell's electromagnetism. In the present work we review the status of these dualities for non trivial backgrounds. We examine the Anti-de Sitter background, where we point out the way to explicitly construct dual configurations using the metric perturbation expressions. Using the holographic renormalization technique, we examine the conformal boundary where a duality between the components of the energy-momentum tensor and the Cotton tensor of the corresponding Chern - Simons theory holds. It is then proved that this duality is a direct consequence of the electric/magnetic duality in the bulk, in the case of the AdS background. Finally, we apply same procedure to the Schwarzschild - Anti-de Sitter background, where the presence of the black hole changes the boundary conditions of the problem. This simple fact makes it impossible say whether such a duality exists in this case. Nevertheless, we find that a duality similar to that of the AdS background still holds for the conformal boundary, which means that there is a remnant of symmetry from the linear theory. We conclude with comments and a extensive discussion on possible future directions.

OLIVEIRA, R. dos. Wormhole do halo central da galáxia e modos quase-normais. 2017. 79 f. Dissertação (Mestrado em Física) – Centro de Ciências, Universidade Federal do Ceará, Fortaleza, 2017. / Submitted by Giordana Silva (giordana.nascimento@gmail.com) on 2017-04-12T22:32:15Z No. of bitstreams: 1 2017_dis_roliveira.pdf: 2016508 bytes, checksum: b13e51c1946445379ebd0aa6da75f18b (MD5) / Approved for entry into archive by Giordana Silva (giordana.nascimento@gmail.com) on 2017-04-12T22:32:44Z (GMT) No. of bitstreams: 1 2017_dis_roliveira.pdf: 2016508 bytes, checksum: b13e51c1946445379ebd0aa6da75f18b (MD5) / Made available in DSpace on 2017-04-12T22:32:44Z (GMT). No. of bitstreams: 1 2017_dis_roliveira.pdf: 2016508 bytes, checksum: b13e51c1946445379ebd0aa6da75f18b (MD5) Previous issue date: 2017 / Wormholes are exotic structures that can connect distant regions of space and therefore are highly targeted as a research object. It can be shown that black holes have damped vibration modes, The so-called quasi-normal modes. These modes are responsible for radiating gravitational waves to space. This is due to the fact that small disturbances in the metric can be described by Einstein’s equations, in the form of wave equations. This behavior is similar for wormholes, where we must find a Regge-Wheeler potential associated with the wave equation. Our goal in this work will be to see if it is possible to find Regge-Wheeler potential for a wormhole, Which are supposed to be sustained by dark matter in the region of galactic halos. And consequently, Verify if it is possible to determine quasi-normal modes using the WKB method, for that particular wormhole. / Wormholes são estruturas exóticas que podem ligar regiões longínquas do espaço e por isso são bastante visados como objeto de pesquisa. Pode-se mostrar que buracos negros possuem modos de vibração amortecidos, os chamados de modos quase-normais. Esses modos são responsáveis por irradiar as ondas gravitacionais para espaço. Isso se deve ao fato de pequenas perturbações na métrica poderem ser descritas pelas equações de Einstein, em forma de equações de onda. Esse comportamento é semelhante para wormholes, onde devemos encontrar um potencial de Regge-Wheeler associado a equação de onda. Nosso objetivo nesse trabalho será tentar ver se é possível encontrarmos um potencial do tipo Regge-Wheeler para um wormhole, que se supõem ser sustentado pela matéria escura na região dos halos galácticos. E por consequência, verificarmos se é possível determinar modos quase-normais usando o método WKB, para esse wormhole em particular.

Les ondes gravitationnelles sont des solutions aux équations gourvenant la dynamique de la gravitation prédite en 1918 à partir de la théorie de la Relativité Générale d'Einstein. Elles représentent la propagation d'une oscillation de l'espace-temps induisant d'infimes variations de distance sur leur passage entre des masses libres. Depuis deux décennies, un réseau d'interféromètres de Michelson kilométriques a été développé et mis en opération à travers le monde afin de prouver l'existence des ondes gravitationnelles en détectant leur passage sur Terre. Leur signature est recherchée dans un canal de détection étalonné, obtenu à partir des mesures fournies par le détecteur et reconstruisant le signal absolu d'une onde gravitationnelle le traversant. La vérification de la procédure est nécessaire pour déceler d'éventuelles erreurs systématiques d'étalonnage biaisant l'exploitation du canal par les analyses des données. Depuis plusieurs années, une nouvelle technique d'étalonnage est développée à cette fin dans les différents interféromètres du réseau et repose sur la pression de radiation d'un laser modulé en puissance afin d'induire un déplacement étalonné de l'un de ses miroirs. Le dispositif, appelé étalonneur laser, permet de reproduire le passage d'une onde gravitationnelle connue et d'en vérifier la reconstruction dans le canal de détection. Le travail de cette thèse a concerné la mise en \oe uvre de cette technique pour l'interféromètre franco-italien Virgo afin de vérifier la reconstruction de son signal d'onde gravitationnelle. Le principe de fonctionnement de l'étalonneur laser installé sur le site est d'abord détaillé et son étalonnage est ensuite décrit avec les campagnes de mesures réalisées. Enfin, les vérifications faites durant les deux périodes de prises de données de Virgo qui se sont déroulées entre 2010 et 2011 seront présentées. Les résultats ont permis de valider la reconstruction du signal d'onde gravitationnelle de Virgo et ses incertitudes confirmant leur impact négligeable sur l'analyse des données. / Gravitational waves are solutions to equations governing the dynamics of gravitation predicted from Einstein's theory of General Relativity in 1918. Gravitational waves describe ripples of space-time producing weak variations of distance between free masses along their propagation. Over the past two decades, an international array of ground-based, kilometer-scale Michelson interferometers has been developed to detect gravitational waves going through Earth and is now in operation. The gravitational wave signature is sought in a calibrated stream obtained from detector output measurements and giving the absolute signal of a gravitational waves going through it. A check of the procedure is required to avoid potential systematic calibration errors leading to an incorrect data stream and bias in its use by data analysis. Since severals years, a new calibration technique is developed for that purpose for each network's interferometer and uses the radiation pressure of a power-modulated laser to induce calibrated displacements of their mirrors. The associated setup, called Photon Calibrator, allows to mimic a gravitational waves passing the detector in order to verify its reconstruction in the detection channel. The scope of this thesis is the implementation of this technique for the French-Italian interferometer Virgo to check its gravitational wave signal reconstruction procedure. The operating principle of the setup installed is first described and its calibration is then detailed with measurement campaigns performed. Finally verifications performed for the two Virgo Science runs performed between 2010 and 2011 are presented. The conclusion of this study allowed to the validate the Virgo gravitational wave signal reconstruction with its uncertainties and has confirmed their negligeable impact on data analysis.

En cette fin d'année 2015, la construction de la 2e génération de détecteurs d'ondes gravitationnelles s'achève. Il s'agit des grands interféromètres de Michelson, dont les bras mesurent 3 km de long (Advanced Virgo) et 4 km de long (Advanced LIGO). Les ondes gravitationnelles, prédites par Einstein en 1916 dans sa théorie de la Relativité Générale n'ont pas été détectées de façon directe par la 1ère génération d'interféromètres. Mais aujourd'hui, la sensibilité a été augmentée d'un ordre de grandeur et le 100ème anniversaire de la théorie d'Einstein pourrait bien ouvrir officiellement l'ère de l'astronomie gravitationnelle. Si la sensibilité des nouveaux interféromètres est désormais exceptionnelle, c'est grâce aux avancées techniques et technologiques, et notamment grâce aux nouveaux miroirs des cavités Fabry-Pérot installés dans les bras de l'interféromètre. Cette thèse présente la conception, le développement et la caractérisation de ses miroirs aux qualités exceptionnelles. Elle s'intéresse aux pertes de lumière diffusée dans les cavités, pertes de diffusion générées par l'état de surface des miroirs et par les défauts d'uniformité des dépôts des couches minces à haute réflectivité. En étudiant la planéité des surfaces, nous verrons comment les modifications techniques du procédé de dépôt IBS ont permis d'améliorer la courbure et la planéité des surfaces. Nous verrons comment nous avons caractérisé ces surfaces avec l'interféromètre de Fizeau à décalage de longueur d'ondes. Nous montrerons enfin comment nous avons atteint les spécifications prévues lors de la conception des miroirs, diminuant les pertes de lumière diffusée dans les cavités Fabry-Pérot à un niveau encore inégalé de seulement quelques dizaines de ppm / In the year of 2015 the construction of the 2nd generation of detectors devoted to gravitational waves is going to be completed. These are large laser Michelson interferometers with arm respectively 3 km (Advanced Virgo) and 4 km (Advanced LIGO) in length. The gravitational waves, predicted by Einstein in 1916 within his theory of general relativity, have not been observed by the first generation of detectors. However, interferometers are now on the way of being ten times more sensitive than before, and so, on the 100th anniversary of the establishment of general relativity, the era of gravitational wave astronomy can start. If laser interferometer will be able to reach unprecedented sensitivity, it is thanks to new technological developments. In particular the new state of the art mirrors installed in the interferometer arms have exceptional performances. This thesis details the design, the development and the characterization of these remarkable large mirrors. My work will deal with the cavity optical loss due to the diffused light itself linked to the mirrors surface quality and to the high reflectivity coating uniformity. By studying the surface flatness, we will understand how it could be influenced by the deposition technique implemented in the coating machine. We will see also how to measure the mirror surfaces by wavelength shifting Fizeau interferometer. Finally, we will detail how we proceeded in order to reach the tight specifications for the mirrors, with in the end only tens of ppm for the cavity round trip losses

La gravité d’Horava brise la symétrie de Lorentz avec l’introduction d’une foliation intrinsèque de l’espace-temps, définie par un champ scalaire, le khronon. Cette foliation privilégiée rend les solutions de trous noirs plus compliquées que celles de la relativité générale, due à l’apparition de nouveaux horizons: un horizon de matière pour les champs de matière; l’horizon de spin-0 pour les excitations scalaires du khronon, l’horizon de spin-2 pour les ondes gravitationnelles; finalement un horizon universel pour des modes instantanés apparaissant dans l’ultraviolet. On étudie des trous noirs en mouvement lent par rapport au référentiel privilégié. Ces solutions sont cruciales pour déterminer les susceptibilités des trous noirs et prédire leur émission d’ondes gravitationnelles, en particulier l’émission dipolaire des binaires de trous noirs. On trouve que pour des valeurs arbitraires des constantes de couplage, les trous noirs en mouvement lent souffrent de singularités de courbure à l’horizon universel. Des singularités à l’horizon de spin-0 sont aussi présentes mais peuvent être absorbées si l’on sacrifie les solutions plates à l’infini. Cependant, on a trouvé un sous-ensemble de l’espace de paramètres, de dimension un, où les trous noirs en mouvement lent sont partout réguliers et coincident avec ceux de la relativité générale. En particulier, ils n’émettent pas de radiation dipolaire. Remarquablement, ce sous-ensemble est favorisé par les contraintes récentes de l’événement GW170817 ainsi que les tests dans le système solaire. / Horava gravity breaks Lorentz symmetry by introducing a preferred spacetime foliation, which is defined by a timelike dynamical scalar field, the khronon. The presence of this preferred foliation makes black hole solutions more complicated than in General Relativity, with the appearance of multiple distinct event horizons: a matter horizon for matter fields; a spin-0 horizon for the scalar excitations of the khronon; a spin-2 horizon for tensorial gravitational waves; and even a universal horizon for instantaneously propagating modes appearing in the ultraviolet. We study how black hole solutions in Horava gravity change when the black hole is allowed to move with low velocity relative to the preferred foliation. These slowly moving solutions are a crucial ingredient to compute black hole sensitivities and predict gravitational wave emission (and particularly dipolar radiation) from the inspiral of binary black hole systems. We find that for generic values of the theory's three dimensionless coupling constants, slowly moving black holes present curvature singularities at the universal horizon. Singularities at the spin-0 horizon also arise unless one waives the requirement of asymptotic flatness at spatial infinity. Nevertheless, we find that in a one-dimensional subset of the parameter space of the theory's coupling constants, slowly moving black holes are regular everywhere, even though they coincide with the general relativistic ones (thus implying in particular the absence of dipolar gravitational radiation). Remarkably, this subset of the parameter space essentially coincides with the one selected by the recent constraints from GW170817 and by solar system tests.

Avec la naissance de l’"astronomie gravitationnelle", vient l’opportunité inédite de tester la relativité générale et ses alternatives dans un régime de champ fort jamais observé jusqu’alors : celui de la coalescence d’un système binaire d’objets compacts. Cette thèse propose d’étudier le problème du mouvement ainsi que du rayonnement gravitationnel d’un tel système en gravités modifiées, en y adaptant et en généralisant certains développements analytiques clés de la relativité générale. On montre d’abord comment étendre le formalisme "effective-one-body" (EOB) à une large classe de gravités modifiées, parmi lesquelles les théories scalaire-tenseur. Dans ces dernières, l’interaction gravitationnelle est modifiée par l’ajout d’un degré de liberté scalaire (sans masse) à la relativité générale. Le lagrangien à deux corps correspondant étant connu à l’ordre post-post-keplerien, nous construisons un hamiltonien EOB associé, décrivant le mouvement d’une particule test dans des champs effectifs. Ceci permet de simplifier la dynamique à deux corps et d’en définir une resommation ; et ainsi, d’en explorer le régime de champ fort, près de la coalescence du système. On "s’attaque" ensuite, et pour la première fois, à la description analytique d’un système binaire de trous noirs "chevelus", afin d’obtenir les formes d’ondes gravitationnelles (EOB) associées ; et ce, sur l’exemple simple des théories Einstein-Maxwell-dilaton, qui généralisent les théories scalaire-tenseur par l’ajout d’un champ vectoriel (sans masse). Pour ce faire, on calcule le lagrangien à deux corps à l’ordre post-keplerien ainsi que le flux d’énergie rayonnée à l’infini à l’ordre quadrupolaire. Tout comme en relativité générale, ces développements reposent sur la description de la trajectoire des trous noirs par les lignes d’univers de particules ponctuelles, décrites par une action "skeleton" généralisant celle, géodésique, de la relativité générale. Enfin, à l’aide des "superpotentiels" de Katz, que l’on généralise pour définir la masse (nœtherienne) d’un trou noir à "cheveux" vectoriel et scalaire, on montre que la première loi de la thermodynamique qui en découle est particulièrement adaptée, lorsqu’un trou noir est membre d’un système binaire, pour en décrire les réajustements éventuels sous l’influence d’un compagnon lointain. La thermodynamique des trous noirs est alors utilisée pour interpréter et discuter du domaine de validité de leur "skeletonisation". / With the birth of "gravitational wave astronomy" comes the opportunity to test general relativity and its alternatives in a strong field regime that had never been observed so far: that of the coalescence of a compact binary sytem. This thesis studies the problem of motion and gravitational radiation from such systems in modified gravities, by adapting some of the key analytical tools that were first developed in the context of general relativity. First, we show how to widen the "effective-one-body" (EOB) formalism to a large class of modified gravities, including, e.g., scalar-tensor theories. In the latter, the gravitational interaction is described by supplementing general relativity with a (massless) scalar degree of freedom. The corresponding two-body lagrangian being known at post-post-keplerian order, we build an associated EOB hamiltonian, which describes the motion of a test particle orbiting in effective external fields. This enables to simplify and resum the two-body dynamics; and hence, to explore the strong-field regime near merger. We then "tackle", for the first time, the analytical description of "hairy" binary black hole systems, and obtain their (EOB) gravitational waveform counterparts in Einstein-Maxwell-dilaton theories, which generalize scalar-tensor theories by means of a (massless) vector field. To that end, we derive the two-body lagrangian at post-keplerian order as well as the energy flux radiated at infinity at quadrupolar order. As in general relativity, our developments rely on the phenomenological description of the black hole’s trajectories as worldlines of point particles that are, in turn, described by a "skeleton" action generalizing that of general relativity. Finally, we develop a formalism based on Katz’ "superpotentials" to define the mass (as a nœther charge) of a black hole that is endowed with vector and scalar "hair". We then deduce the first law of thermodynamics, which is particularly suitable to describe its readjustments when interacting with a faraway companion. Black hole thermodynamics is lastly shown to be a powerful tool to interpret and discuss the scope of their "skeletonization".

With the increase in speculation about the nature of our universe, there has been a growing need to find the truth about Dark Matter. Recent research shows that the Planck-Mass range could be a well-motivated space to probe for the detection of Dark Matter through gravitational coupling. This thesis dives into the possibility of doing the same in two parts. The first part lays out the analysis framework that would sense such an interaction, while the second part outlines a prototype experiment that when scaled up using quantum optomechanical sensors would serve as the skeleton to perform the analysis with.

Depuis sa formulation au début du 20ème siècle, la théorie de la Relativité Générale a été vérifiée avec une précision sans cesse croissante. Cette théorie prédit, entre autre, l'existence d'ondes gravitationnelles qui restent à ce jour inobservées, et ce malgré de nombreuses tentatives de détections. Ces ondes sont caractérisées par leur absence de masse. Une des questions qui se pose alors est de savoir si cette absence de masse est une condition nécessaire pour que théorie et observations concordent. Pour répondre à cette question, il est indispensable d'étudier les différents aspects des théories décrivant des ondes gravitationnelles massives. Au-delà de cet intérêt purement théorique, l'étude de ces théories est, entre autre, motivée par de récentes observations cosmologiques. Celles-ci indiquent que l'accord entre la Relativité Générale et les observations n'est possible que si on suppose l'existence de matière et d'énergie noires.<p><p>Cette thèse est dédiée à une classe de théories décrivant des ondes gravitationnelles massives. Dans un premier temps, nous résumons les différents problèmes qui surgissent lorsqu'on tente de donner une masse aux ondes gravitationnelles. Ensuite, nous introduisons une classe de modèles et étudions certaines de leurs caractéristiques.<p><p>Le premier aspect étudié concerne l'existence d'une interaction de type instantanée. De telles interactions sont possibles étant donné que l'invariance de Lorentz est spontanément brisée dans les modèles considérés. Celles-ci sont dès lors discutées et un exemple concret est fourni.<p><p>La présence d'une interaction instantanée dans ces modèles a une conséquence directe sur les solutions "trous noirs" des équations du champ. En effet, on s'attend à ce que l'interaction instantanée puisse propager de l'information à l'extérieur d'un trou noir, ce qui entraînerait une modification de ces solutions par rapport à celles de la Relativité Générale. Cette supposition est confirmée par les solutions "trous noirs" obtenues dans cette thèse. Celles-ci peuvent soit imiter une certaine quantité de matière noire, soit conduire à un champ gravitationnel répulsif.<p><p>Finalement, les mécanismes de formation des grandes structures de l'Univers (galaxies, amas de galaxies, ) sont étudiés pour les théories considérées. Cette dernière discussion démontre que ces modèles reproduisent le comportement prévu par la Relativité Générale et sont, par conséquent, en accord avec les observations. / Doctorat en Sciences / info:eu-repo/semantics/nonPublished

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