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

The Bondi-Metzner-Sachs-van der Burg (BMS) group is the asymptotic symmetry group of radiating asymptotically flat spacetimes. It has recently received renewed interest in the context of the flat holography and the infrared structure of gravity. In this thesis, we investigate the consequences of considering extensions of the BMS group in four dimensions with superrotations. In particular, we apply the covariant phase space methods on a class of first order gauge theories that includes the Cartan formulation of general relativity and specify this analysis to gravity in asymptotically flat spacetime. Furthermore, we renormalize the symplectic structure at null infinity to obtain the generalized BMS charge algebra associated with smooth superrotations. We then study the vacuum structure of the gravitational field, which allows us to relate the so-called superboost transformations to the velocity kick/refraction memory effect. Afterward, we propose a new set of boundary conditions in asymptotically locally (A)dS spacetime that leads to a version of the BMS group in the presence of a non-vanishing cosmological constant, called the Λ-BMS asymptotic symmetry group. Using the holographic renormalization procedure and a diffeomorphism between Bondi and Fefferman-Graham gauges, we construct the phase space of Λ-BMS and show that it reduces to the one of the generalized BMS group in the flat limit. / Doctorat en Sciences / info:eu-repo/semantics/nonPublished

Within this work we have been interested in the frame approach to analysis of the field equations in the context of theories of gravity, in particular, the Einstein General Relativ- ity and Quadratic theory of gravity. As the starting point we have summarised the least action principle formulation of the General Relativity and introduced the Quadratic grav- ity extending the classic Einstein-Hilbert action by adding quadratic curvature terms. The Quadratic gravity field equation have been rewritten into the form separating the Ricci tensor contribution. As a next step we have reviewed the Newman-Penrose formal- ism on a purely geometrical level and discussed employing the field equations constraints. While in the case of General Relativity it is quite trivial, in the Quadratic gravity it be- comes much more involved, however, the General Relativity procedure can be followed even here. As an illustration, we have formulated the constraints on the gravitational field in the cases of the spherically symmetric spacetimes and so-called pp-waves both in the GR as well as Quadratic gravity. 1

In this thesis we investigate Robinson-Trautman solutions of Einstein's gravity cou- pled to a matter field in higher dimensions, specifically a conformally invariant and non- linear electromagnetic field. The latter possesses in general a non-zero energy-momentum tensor, which provides a source term in Einstein's equations. We focus concretely on an electromagnetic field aligned with the null vector field generating the expanding con- gruence of Robinson-Trautman spacetimes. At the beginning, we review the concept of optical scalars for a null vector field in higher dimensions and we use those to define the higher-dimensional Robinson-Trautman class of spacetimes. Next, we solve the corre- sponding Einstein's equations and present the complete family of exact solutions of the theory under consideration. We then contrast the obtained results with the known ones for the linear Maxwell theory in higher dimensions. As a check, we also compare our results to the well-known results in D = 4, since in this case our matter theory reduces to the standard linear Maxwell theory. Finally, we study properties of a subfamily of solutions which represent the static black holes within our class. In particular, we ana- lyze the asymptotic behaviour, we show that a curvature singularity is always present for r → 0 and the...

Zeitreisen und Reisen mit Überlichtgeschwindigkeit sind zwei Menschheitsträume; sie beflügeln die Fantasie und bieten Stoff für skurrile Geschichten. Eine Arbeit zum Thema „Zeitreisen und Reisen mit Überlichtgeschwindigkeit“ zwingt zu einer Auseinandersetzung mit dem Begriff der „Zeit“. Die Vielschichtigkeit und der antinomische Charakter dieses Begriffes machen es schwer, „Zeit“ genauer zu fassen. Zeit tritt uns entgegen als Form der Wahrnehmung in ihrer zutiefst subjektiven Seite, als biologischer Rhythmus, als soziales Phänomen im Sinne einer kollektiven Zeitbestimmung, aber eben auch als physikalischer Parameter. Einsteins Relativitätstheorie revolutioniert unsere Vorstellungen von Raum und Zeit, indem sie sich vom newton-mechanischen Konzept des absoluten Raumes und der absoluten Zeit löst. Sie macht aber das, was bei Wells zehn Jahre vorher noch reine Fiktion war, zu einem für die Physik diskussionswürdigen Thema, nämlich das „Problem der Zeitreisen“. Einsteins Spezielle Relativitätstheorie (1905) erlaubt durch den von ihr vorhergesagten Effekt der Zeitdilatation „Reisen in die Zukunft“, und die Einstein’sche Gravitationstheorie lässt geschlossene zeitartige Linien als Lösungen ihrer Gleichungen zu (z. B. Gödel-Kosmos, Anti-de-Sitter-Kosmos). Allerdings würde eine Reise auf einer Zeitschleife sofort ein ganzes Bündel von Paradoxien (z. B. Großvater-Paradoxon, Informationsparadoxon) und semantischen Inkonsistenzen nach sich ziehen. Obwohl erstaunlicherweise die fundamentalen Gesetze der Physik (abgesehen von extrem seltenen und makroskopisch nicht in Erscheinung tretenden quantenmechanischen Effekten) bei einer Zeitumkehr nicht verletzt würden, scheint es in der Natur doch ein grundsätzliches Verbot von Vergangenheitsreisen zu geben. Der Physiker Dieter Zeh, dessen Position im Schlusskapitel der Arbeit näher beleuchtet wird, vertritt die Auffassung, dass die Science-Fiction-Literatur zum Thema „Zeitreisen“ überwiegend auf einfachen begrifflichen Fehlern beruhe. Die in Anlehnung an die Allgemeine Relativitätstheorie konstruierten Vorgänge seien bestenfalls genauso „theoretisch möglich“ wie ein Gas, das sich von selbst in einer Ecke des Gefäßes versammelt. Die vorliegende Arbeit erörtert Ansätze für „Zeitmaschinen“ und superluminale Prozesse, die in Einklang mit der modernen Physik stehen. Besprochen werden u. a. die Tachyonen-Hypothese, Tiplers rotierender Zylinder, der Gödel-Kosmos, der Anti-de-Sitter-Kosmos, die sogenannten „Wurmlöcher“ und die Alcubierre-Metrik. Zugleich sollen Ansätze vorgestellt werden (z. B. Eternalismus, Viele-Welten-Modell, Prinzip der konsistenten Geschichte), die Lösungsversuche für die Paradoxien von Vergangenheitsreisen bieten. Um die Reisen in die Vergangenheit und Reisen mit Überlichtgeschwindigkeit scheint es zu stehen wie mit einer Anfrage an Radio Jerewan; die Antwort lautet stets: „Im Prinzip ja, aber …“ Doch die Faszination dieser Idee wird weiterhin Stoff für die „Fiction“ liefern. / Time travel and superluminal travel are two of mankind's dreams. They inspire our imagination and provide material for bizarre stories. A work on the subject of time travel and superluminal travel forces us to re-examine our concept of "time". The complexity and the contradictory nature this subject makes it difficult to be more precise about "time". On its deepest subjective side, time is a means of perception, a biological rhythm, a social phenomenon in terms of our collective understanding of time. But it is also a physical parameter. Einstein's Theory of Relativity revolutionised our idea of space and time by freeing us from the Newtonian concept of absolute space and absolute time. The "problem of time travel", a subject that Wells wrote about just ten years before as mere fiction, was now a discussion worthy of physics. Einstein's Special Theory of Relativity (1905), by predicting the effects of time dilation, allowed for "travels into the future" and Einstein's Theory of Gravity used closed time-like lines for solutions to calculations about time travel (for example, the Gödel Universe and the Anti-de Sitter Universe). However, a trip to a time warp would immediately involve a whole set of paradoxes (for example, the grandfather paradox and the information paradox) and semantic inconsistencies. Surprisingly, the fundamental laws of physics (apart from extremely rare and non-emergent macroscopic quantum mechanical effects) are not violated by the concept of time reversal. Yet, in nature, there still seems to be a fundamental prohibition against time travel to the past. Physicist Dieter Zeh, whose position is more closely presented in the final chapter of this work, supports the view that science fiction literature on the subject of "time travel" is overwhelmingly based on simple conceptual errors. The processes used in this literature, which are based on the General Theory of Relativity, at best, are just as "theoretically possible" as a gas which gathers itself into the corner of a container. This work discusses approaches for "time machines" and superluminal travel which are consistent with modern physics. Some of the discussions that will be presented are the tachyon hypothesis, Tipler's rotating cylinder, the Gödel Universe, the Anti-de Sitter Universe, so-called "wormholes" and the Alcubierre-metric. At the same time, approaches will be presented (for example, Eternalism, the Many-Worlds Interpretation and the Consistent Histories Approach) that will provide attempts to find a solution for paradoxes regarding time travel to the past. Questions about time travel to the past and superluminal travel are like the questions asked on Radio Yerevan. The answer is always, "In principle yes, but…" But the fascination about time travel will continue to provide material for "fiction".

This thesis explores the spherically symmetric gravitational collapse of a massless scalar field in a minimally modified gravity theory denoted VCDM (V replaces $\Lambda$ in the $\Lambda$CDM abbreviation), a class of theories propagating the same degrees of freedom as general relativity at the expense of broken 4D diffeomorphism invariance. Numerical evolution of the equations of motion reveals that for small initial scalar profile amplitudes, no black hole forms from the collapse. However, for larger amplitudes, collapse leads to an apparent horizon's formation in finite time. Outside the horizon, the solution resembles the Schwarzschild geometry, while inside, the lapse function continues to decrease toward zero, implying the formation of a singularity/foliation breakdown. This suggests a need for a UV completion for the theory inside the horizon. Despite this, VCDM can describe the entire time evolution of the universe outside the black hole horizon without requiring knowledge of such a UV completion. / Denna uppsats undersöker den sfäriskt symmetriska gravitationskollapsen av ett masslöst skalärfält inom en minimalt modifierad gravitationsteori betecknad VCDM (där V ersätter $\Lambda$ i $\Lambda$CDM-förkortningen), en klass av teorier som propagerar samma frihetsgrader som den allmäna relativitetsteorin på bekostnad av bruten fyrdimensionell diffeomorfiinvarians. Numerisk utveckling av rörelseekvationerna visar att ett svart hål inte kan bildas om begynnelseamplituden hos den initiala skalärfältsprofilen är liten. För större amplituder bildas en uppenbar horisont på en ändlig tid. Utanför horisonten sammanfaller lösningen med Schwarzschildgeometrin, medan inuti horisonten fortsätter lapsefunktionen att falla mot noll, vilket implicerar formationen av en singularitet/sönderfall av rumtidsfolieringen. Detta tyder på att teorin är i behov av en UV-komplettering innanför horisonten. Trots detta kan VCDM beskriva hela universums tidsutveckling utanför det svarta hålet utan vetskap om en sådan UV-komplettering.

Cosmology is the study of the universe as a whole, and attempts to describe the behaviour of the universe mathematically. The simplest relativistic cosmological models are derived from Einstein's field equations with the assumptions of isotropy and homogeneity. In this thesis, a few simple cosmological models will be derived and evaluated with respect to their description of our universe i.e., how well they match observational data from e.g., the cosmic background radiation and redshift from distant supernovae. The models are derived from Einstein's field equations, which is why a large portion of the thesis will lay the ground work for the field equations by introducing and explaining the language of tensors. / Kosmologi är läran om universum i stort samt dess matematiska beskrivning. De enklaste relativistiska kosmologiska modellerna kan härledas från Einsteins fältekvationer med hjälp av antaganden om isotropi och homogenitet. I denna rapport kommer ett par av de enklaste modellerna att härledas, samt evalueras baserat på hur väl de beskriver vårt universum, det vill säga hur bra de passar de observationer som gjorts på exempelvis den kosmiska bakgrundsstrålningen och rödskifte från avlägsna supernovor. Modellerna härleds utifrån Einsteins fältekvationer, varför en stor del av rapporten består av en introduktion till tensoranalys.