Les trous noirs sont étudiés d'un point de vue théorique. Les propriétés thermodynamiques et quantiques des trous noirs sont abordées à travers des nouvelles perspectives. On explore différents problèmes logiquement reliés: depuis les lois de la mécanique des trous noirs, en passant par la function partition Euclidienne des trous noirs, jusqu'aux modèles microscopiques quantiques et granulaires.L'approche repose sur deux principes: la thermodynamique importante pour les trous noirs se situe près de l'horizon et la géométrie quantique de l'espace-temps est granuleuse.On examine la première loi de la mécanique des trous noirs avec une perspective quasilocal basée sur des observateurs près de l'horizon. Il s'avère que la première loi peut être simplement reformulée comme la variation de l'aire de l'horizon. Ensuite, on examine la fonction de partition Euclidienne à partir de la nouvelle perspective quasilocal, et on reproduit l'entropie de Bekenstein-Hawking ainsi que l'energie quasilocal nouvellement introduite.L'approche quasilocal peut être abordée par un point de vue basé sur les Horizons Isolés. Dans ce cadre, on explore la quantification de l'Horizon Isolé rotatoire, en analysant la structure symplectique, et en utilisant l'espace de Hilbert de la Gravitation Quantique à Boucles.Finalement, on étudie les conséquences macroscopiques du modèle granulaire quantique basé sur la Gravitation Quantique à Boucles. L'accent est mis sur le modèle de trou noir en rotation, les résultats ne sont pas concluants du fait que plusieurs hypothèses doivent être posées. Cependant, la perspective est prometteuse. Certains des résultats, comme l'entropie, peuvent être reproduits. / Black holes are studied from a theoretical point of view. The thermodynamics and quantum properties are addressed from a new perspective. A range of logically connected problems are explored: Starting from the laws of black hole mechanics, going through the Euclidean partition function, to the microscopic quantum granular models.The approach is supported by two guiding principles: What is physically relevant for black hole thermodynamics lays close to the horizon and the quantum geometry of the spacetime is coarse-grained.The first law of black hole mechanics is reviewed from the new quasilocal perspective based on near horizon observers. It turns out that the first law can be reformulated as variations of the area of the horizon. On the same grounds, the semiclassical Euclidean partition function is reviewed from the new quasilocal perspective. The framework reproduces the classic Bekenstein-Hawking entropy and the newly introduced quasilocal energy.The quasilocal approach can also be addressed by using Isolated Horizons. The quantization procedures are explored for the rotating Isolated Horizon starting from a symplectic structure analysis, and using the Loop Quantum Gravity Hilbert space. Finally, through a statistical analysis, the macroscopic consequences of the quantum granular model based on the Loop Quantum Gravity approach are studied. Special emphasis is put on the rotating quantum black hole model, however the results are not conclusive as several assumptions should be made on the way. Nevertheless, the perspective is promising as some of the semiclassical results, for instance the entropy, can be reproduced.

Cette HDR est dédiée à l'études des binaires X et de leurs propriétés. Je me penche plus particulièrement sur l'étude d'une famille de systèmes récemment mise en avant par le satellite INTEGRAL et constitués d'une étoile à neutrons et d'une supergéante, où l'accrétion est "directe", et aborde ensuite mes travaux sur les microquasars. Dans ces derniers le système est composé d'un trou noir et d'une étoile de faible masse ; l'accrétion s'y fait via un disque. Dans ce document je présente tout d'abord les aspects purement astronomiques (astrométrie, caractérisation des sources) et progresse vers l'analyse physique de leurs émissions (spectrométrie, photométrie) après avoir discuté des résultats obtenus par une approche purement phénoménologique de ces populations de sources. Lors de l'approche physique je montre tout d'abord comment les rayons X peuvent permettre une radiographie du système, et les conclusions qu'il est possible d'obtenir sur l'environnement local du système : vent stellaire, cocon absorbant, interaction vent stellaire/émission X. Dans le cadre des microquasars les analyses systématiques de ces objets m'ont permis de contraindre certains liens entre phénomènes d'accrétion et d'éjection. Je présente ainsi les conclusions qu'il est possible de tirer des bases de données multi-longueurs d'onde. Je décris alors trois modèles théoriques concurrents et les confronte avec les résultats observationnels.

Cette thèse se compose de deux parties. Une première partie est dédiée à l'étude de phénomènes de diffusions dans des géométries non triviales. Je présente tout d'abord un travail sur les effets des irrégularités de la géométrie d'une surface sur un mouvement brownien galiléen évoluant sur cette surface. Ce problème est susceptible d'applications en biologie, notamment dans la modélisation des phénomènes de diffusions latérales sur des interfaces. J'expose ensuite des travaux réalisés sur des processus stochastiques relativistes. J'introduis d'une part des modèles simples de diffusion dans un univers en expansionet présente des relations de fluctuation-dissipation vérifiées par ces modèles. J'expose d'autre part une approche unifiée des différents processus stochastiques relativistes existant dans la littérature, à savoir, le ROUP, le processus de Franchi-Le~Jan et le processus de Dunkel-Hänggi. Dans une seconde partie, je présente deux applications de la récente théorie champ moyen de la relativité générale. La théorie a été appliquée à un trou noir de Schwarzschild et à un trou noir de Reisner-Nordström extrême. Les caractéristiques de l'espace-temps moyen obtenu dans chacun de ces deux cas sont présentées. Les résultats sont mis en relation avec des observations de trous noirs astrophysiques et avec des observations cosmologiques. Les effets de la moyennisation sur les propriétés thermodynamiques de ces trous noirs sont également étudiés.

Les trous noirs primordiaux sont une sonde exceptionnelle pour rechercher des effets de nouvelle physique, à l'intersection de la relativité générale, de la mécanique quantique, de la physique des particules et de la cosmologie. Ce mémoire présente quelques pistes d'études relatives à ces objets astrophysiques fascinants. D'abord, autour de leur recherche via l'étude des rayons cosmiques qui seraient émis par évaporation de Hawking. Des liens entre les limites obtenues et les modèles d'inflation sont ensuite proposés afin d'obtenir une borne supérieure très contraignante - et totalement inaccessible aux observables usuelles que sont le fond diffus et les grandes structures - sur la puissance aux petites échelles dans l'Univers primordial. La fin de l'évaporation des trous noirs est etudiée en gravité de corde et leur statut de candidat à la matière noire froide revisité dans le cadre des modèles à brisure d'invariance d'échelle. Enfin, dans le cadre des modèles à basse échelle de Planck (c'est-à-dire présentant de larges dimensions supplémentaires), la formation de trous noirs auprès des collisionneurs est envisagée. Nous montrons que des effets de gravité quantique (couplage de Gauss-Bonnet) pourraient être sondés au LHC. Quelques voies d'investigations futures, liées à la présence d'une constante cosmologique ou au rayonnement cosmique d'énergie extrême sont esquissées.

Cette thèse d'habilitation présente des études numériques d'objets compacts (étoiles à neutrons, étoiles de quarks étranges, trous noirs), principalement considérés comme sources d'ondes gravitationnelles pour les détecteurs VIRGO et LISA.

L'expérience AMS sera mise en orbite à partir de 2006 pour une durée de 3 ans afin d'étudier le rayonnement cosmique et d'ouvrir de nouvelles perspectives pour la recherche d'antimatière et de matière noire. Cette thèse présente d'abord le travail mené pour les développements du détecteur Tcherenkov (RICH) d'AMS qui conduira à une mesure précise de la vitesse et de la charge des particules le traversant. Nous exposons le choix des photodétecteurs, les tests de l'électronique, les caractéristiques générales du compteur ainsi que la mise en oeuvre de l'analyse des données obtenues avec deux prototypes (incluant des mesures au CERN). La seconde partie du travail est consacrée à l'étude théorique du rayonnement cosmique et d'un signal exotique potentiel pour AMS : les trous noirs en évaporation. Les conséquences astrophysiques, cosmologiques et gravitationnelles de l'existence de ces objets sont considérées en détails.

Établir une théorie de gravité quantique qui décrit de manière cohérente les propriétés quantiques de la matière et de l'espace-temps est l'un des défis majeurs de la physique théorique. Malgré plusieurs décennies de recherches, de nombreux problèmes conceptuels et techniques doivent encore être résolus. L'étude de modèles simplifiés donne des idées de résolution. La première partie de la thèse traite de la gravité quantique bidimensionnelle. À deux dimensions, la gravité quantique est beaucoup mieux comprise et de nombreux calculs peuvent être faits exactement. Si la gravité quantique bidimensionnelle a été largement étudiée quand elle est couplée à de la matière conforme, le cas de la matière non-conforme était très peu connu jusque récemment. Nous calculons d'abord l'action gravitationnelle pour un champ scalaire massif sur une surface de Riemann avec bords puis pour un fermion de Majorana massif sur une variété compacte. Ce dernier cas correspond à une CFT perturbée par une perturbation conforme et est d'ordinaire étudié grâce à l'ansatz de DDK, mais les résultats sont différents. Finalement, on calcule le spectre de l'action de Mabuchi dans l'approximation du minisuperespace. La seconde partie étudie les propriétés thermales des trous noirs dans le contexte de la correspondance AdS/CFT. On construit un modèle de mécanique quantique fondé sur les principes holographiques pour simuler la dynamique des trous noirs quantiques. Ce modèle permet d'obtenir des résultats numériques exacts. / Finding a theory of quantum gravity describing in a consistent way the quantum properties of matter and spacetime geometry is one of the greatest challenges of modern theoretical physics. However after several decades of research, many conceptual and technical issues are still to be resolved. Insights on these questions can be given by simplified toy models that allow for exact computations. The first part of the thesis deals with two-dimensional quantum gravity. In two dimensions quantum gravity is much better understood and many computations can be carried out exactly. Whereas two-dimensional quantum gravity coupled to conformal matter has been widely studied and is now well understood, much less was known until recently when matter is non-conformal. First we compute the gravitational action for a massive scalar field on a Riemann surface with boundaries and then for a massive Majorana fermion on a manifold without boundary. The latter case corresponds to a CFT perturbed by a conformal perturbation and is usually tackled through the DDK ansatz, but the results do not seem to match. Finally we give a minisuperspace computation of the spectrum of the Mabuchi action, a functional that appears in the gravitational action for a massive scalar field. In the second part we focus on black hole thermal behaviour which provides a lot of insight of how a theory of quantum gravity should look like. In the context of string theory the AdS/CFT correspondence provides powerful tools for understanding the microscopic origin of black holes thermodynamics. We construct a quantum mechanical toy model based on holographic principles to study the dynamics of quantum black holes.

Les trous noirs supermassifs résident dans les centres de la plupart des galaxies massives et on observe des corrélations entre leurs masses et les propriétés de leurs galaxies hôtes. De plus, on observe des trous noirs de plus d’un milliard de masses solaires quelques centaines de millions d’années seulement après le Big Bang. Ces trous noirs supermassifs présents dans l’univers jeune ne sont que le sommet de l’iceberg de l’ensemble de la population de trous noirs, mais ils mettent en question notre compréhension de la formation et de la croissance des premiers trous noirs. Notre nouvelle méthode améliorant le calcul de la densité de colonne de H2 donne des probabilités pour former des graines massives de trous noirs qui sont plus d’un ordre de grandeur plus élevées que prédit précédemment. Nous trouvons que CR7 pourrait être le premier candidat à héberger un tel trou noir formé par effondrement direct et nous démentons l’existence initialement revendiquée d’une population stellaire massive primordial dans CR7. Nous calculons la densité des taux de fusion des trous noirs binaires des premières étoiles et leurs taux de détection avec aLIGO. Notre modèle démontre que les détections des ondes gravitationnelles à venir au cours des prochaines décennies permettront d’imposer des contraintes plus strictes sur les propriétés des premières étoiles et donc sur les scénarios de formation des premiers trous noirs. Nous développons un modèle analytique en 2D de la rétroaction des noyaux actifs de galaxie pour démontrer qu’un profil de disque plus réaliste réduit la quantité de gaz qui est éjectée du halo par rapport aux modèles 1D existants. La rétroaction empêche l’accretion de gaz sur le trou noir central pendant seulement ∼1 million d’année environ, ce qui permet une accretion de gaz presque continue dans le plan du disque. Avec cette thèse, je contribue à une meilleure compréhension de la formation et la croissance des premiers trous noirs supermassifs. / Supermassive black holes reside in the centres of most massive galaxies and we observe correlations between their mass and properties of the host galaxies. Besides this correlation between a galaxy and its central black hole (BH), we see BHs more massive than one billion solar masses already a few hundred million years after the Big Bang. These supermassive BHs at high redshift are just the tip of the iceberg of the entire BH population, but they challenge our understanding of the formation and growth of the first BHs. Our improved method to calculate H2 self-shielding yields probabilities to form massive seed BHs that are more than one order of magnitude higher, than previously expected. We find that CR7 might be the first candidate to host such a direct collapse BH and we disprove the initially claimed existence of a massive metal-free stellar population in CR7. We calculate the merger rate density of binary BHs from the first stars and their detection rates with aLIGO. Our model demonstrates that upcoming detections of gravitational waves in the next decades will allow to put tighter constraints on the properties of the first stars and therefore on formation scenarios of the first BHs. We develop a 2D analytical model of active galactic nuclei-driven outflows to demonstrate that a more realistic disc profile reduces the amount of gas that is ejected out of the halo, compared to existing 1D models. The outflow prevents gas accretion on to the central BH for only about ∼1Myr, which permits almost continuous gas inflow in the disc plane. With this thesis, I contribute to a better understanding of the formation and growth of the first supermassive BHs.

Comme introduction, nous présentons la formulation originale de la correspondance AdS/CFT, entre la théorie de Yang-Mills supersymétrique N = 4 avec groupe de jauge SU(N) et la théorie des supercordes de type IIB sur l'espace AdS5 x S5. Dans une première partie, nous montrons comment les ingrédients de la correspondance AdS/CFT peuvent être appliqués de manière phénoménologique à l'étude des systèmes de fermions fortement corrélés et présentons deux modèles fondamentaux, l'étoile à électrons et le supraconducteur holographique. Nous construisons un modèle holographique pour l'étude des systèmes de Bose-Fermi à densité finie et montrons que la présence simultanée de degrés de liberté bosoniques et fermioniques est favorisée à température nulle. En résolvant l'équation du mouvement d'un spineur test sur ces solutions, nous montrons que le système admet un grand nombre de surfaces de Fermi de type électron et/ou trou et un condensat scalaire chargé. Dans une seconde partie, nous nous intéressons à l'étude des solutions de trous noirs BPS asymptotiquement AdS4 dans la théorie de supergravité jaugée N = 2 en 4 dimensions. En utilisant les transformations de dualité dans un modèle STU simple, nous trouvons de nouvelles solutions de trous noirs BPS statiques et en rotation. / As an introduction, we present the original formulation of the AdS/CFT correspondence, between N = 4 Super Yang-Mills theory with gauge group SU(N) and type IIB string theory on AdS5 x S5. In a first part, we show how the ingredients of the AdS/CFT correspondence can be applied in a phenomenological way to study strongly correlated systems of fermions and present two fundamental models, the electron star and the holographic superconductor. We construct a holographic model for the study of Bose-Fermi systems at finite density and show that the simultaneous presence of bosonic and fermionic degrees of freedom is favoured at zero temperature. By solving the field equation of a probe spinor field in these solutions, we show that the system admits a large number of electron-like and/or hole-like Fermi surfaces and a charged scalar condensate. In a second part, we study asymptotically-AdS4 BPS black hole solutions in the N = 2 gauged supergravity theory. Using the duality transformations in a simple STU model, we find new static and rotating BPS black hole solutions.

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.