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 these est une etude detaillee de la structure interne d'objets cosmologiques, de type defaut topologique et membrane en dimensions supplementaires, possedant des courants de fermions. <br> La premiere partie presente le cadre general de la cosmologie primordiale dans lequel ces objets peuvent se former lors des brisures de symetrie associees aux theories de physique des particules. Dans la deuxieme partie, la dynamique des cordes cosmiques, une classe privilegiee de defauts, est decrite a l'aide d'un formalisme macroscopique covariant. Qu'elles soient ou non parcourues par des courants, ce formalisme offre une description unifiee des cordes permettant de predire leur evolution cosmologique par le biais de simulations numeriques. Apres avoir justifie la validite de l'approche macroscopique pour des cordes possedant un courant de particules scalaires, le cas des courants fermioniques est detaille dans la troisieme partie. Dans un premier temps, le spectre de masse des fermions pieges dans une corde est determine, et suggere que leurs modes de propagation privilegies sont de masse non nulle. Dans un deuxieme temps, l'equation d'etat d'une telle corde est obtenue a l'aide d'une quantification des modes de propagation des fermions le long de la corde. Il apparait que l'approche macroscopique usuelle a un parametre n'est pas toujours suffisante pour decrire les fermions. D'autres parts, contrairement aux cordes parcourues par des bosons, les courants de fermions engendrent des transitions, dans la dynamique des cordes, entre des regimes subsoniques et supersoniques dont les consequences cosmologiques pourraient etre importantes. La quatrieme partie generalise ces resultats au cas d'un mur de domaine quadri-dimensionnel, modelisant notre univers, et plonge dans un espace-temps a cinq dimensions. Dans le cadre du modele de Randall-Sundrum, il est ainsi possible de predire la masse des fermions stables pieges sur la membrane.

A l'aune d'une possible unification de la Mecanique Quantique et de la Relativite Generale, le processus d'evaporation des trous noirs est sans nul doute l'un des phenomenes privilegies pour avoir acces a des effets de gravite quantique. Apres une rapide presentation de la theorie de la gravitation d'Einstein et d'une possible extension sous forme de serie de Taylor en courbure scalaire, l'evaporation de Hawking est abordee en se focalisant sur le calcul des facteurs de corps gris, i.e. de la probabilite tunnel qu'une particule issue de la brisure des fluctuations du vide s'echappe definitivement de l'attraction gravitationnelle du trou noir. J'ai developpe une methode analytique semi-classique pour l'etude de la dynamique de champs scalaires se propageant en espace-temps statique et a symetrie spherique, ainsi qu'une methode numerique pour la determination exacte des facteurs de corps gris pour des champs de spin s=0, 1/2 et 1. Ces methodes ont ete appliquees au cas de trous noirs de Schwarzschild en theorie de Lovelock a l'ordre deux (theorie de Gauss-Bonnet) et avec dimensions supplementaires, pour ainsi aboutir a une evaluation exacte des spectres rayonnes, etape necessaire pour la verification des quatres principes de la thermodynamique des trous noirs. Dans le cadre des scenarii branaires de type Arkani-Hamed, Dimopoulos & Dvali (ADD), abaissant l'echelle de Planck a l'ordre du TeV et ouvrant ainsi la possibilite de production de trous noirs par collision de particules dans le cosmos ou aupres des futurs collisionneurs, les possibilites de contraindre le Lagrangien gravitationnel a l'aide du mecanisme d'evaporation des trous noirs ont ete abordees: les modeles ADD ne sont pas en contradiction avec les donnees cosmologiques et de rayonnement cosmique et il serait possible de distinguer la presence ou non d'un terme de Gauss-Bonnet dans le Lagrangien d'Einstein-Hilbert. La question des inhomogeneites primordiales aux petites echelles de longueur ainsi que celle de la matiere noire sont aussi abordees dans cette these, respectivement a la lumiere des trous noirs primordiaux et des theories a dimensions supplementaires.