Dans le cadre de théories de la gravitation dilatonique inspirées des théories des cordes (de 4 à D dimensions d'espace-temps), nous construisons de nouvelles solutions trou noir ou branes noires non asymptotiquement plates. Pour certaines valeurs de la constante de couplage dilatonique, nous généralisons les trous noirs statiques à des trous noirs en rotation, en utilisant le groupe d'isométrie de l'espace cible. Nous calculons leurs masses et leurs moments angulaires en utilisant l'approche moderne au calcul de l'énergie en Relativité Générale, le formalisme quasilocal, et nous vérifions qu'ils satisfont à la première loi de la thermodynamique des trous noirs. Enfin, nous étudions une famille de trous noirs en Gravitation Topologiquement Massive à 2+1 dimensions.

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.

Le mécanisme d'instabilité gravitationnelle d'un champ de Yang-Mills est étudié via l'intégration numérique de la formulation hamiltonienne du système Einstein-Yang-Mills décrivant le couplage d'un champ de jauge à la gravitation. Une évolution en deux temps est mise en évidence: une dilution des fluctuations, conséquence de l'invariance conforme du champ, apparaît en premier lieu ; elle est suivie d'un régime d'oscillations croissantes lorsque l'on s'éloigne suffisamment de la solution homogène. Une comparaison instructive avec le mécanisme d'instabilité gravitationnelle du champ scalaire est également envisagée. Enfin, nous avons étudié l'influence de champs scalaires de quintessence sur la formation d'amas de matière noire grâce à la modification d'un code à N particules. Ceux-ci inhibent la formation des amas, en privilégiant des structures moins nombreuses et de faible masse, tout en produisant des différences assez significatives que pour permettre de discerner non seulement un modèle avec quintessence d'un autre plus conventionnel (avec constante cosmologique) mais également les divers modèles de quintessence entre eux. / The gravitational instability of Yang-Mills fields is studied by means of a numerical integration of the hamiltonian formulation of Einstein-Yang-Mills equations, which describe the coupling between gravitation and a gauge field. A two-step evolution appears to rule this mechanism: the fluctuations first dilute, as a sequel of the conformal invariance of the gauge theory; then, the fluctuations undergo oscillations of increasing amplitude as the solution moves away from the homogeneous one. An interesting comparison with the gravitational instability of a scalar field has also been made. Finally, we have established that the quintessence scalar fields inhibit the formation of dark matter halos. By analysing the results of a modified N-body code, we show that those fields produce less structures and lighter halos, and lead to significative differences that allow to distinguish either a quintessence scenario from a more conventional one with a cosmological constant either different quintessence models.

L'intérêt majeur des travaux exposés dans cette thèse est d'explorer la chevelure des trous noirs dans des cadres plus généraux que celui de la Relativité Générale en tenant compte de la présence d'une constante cosmologique, de dimensions supplémentaires, de champs de matière exotiques ou de termes de courbure de rang plus élevé. Ces extensions de la Relativité Générale peuvent s'inscrire dans le cadre de la théorie des cordes. C'est en étudiant des extensions naturelles de la Relativité Générale que nous pouvons aussi mieux comprendre la théorie d'Einstein. Dans un premier temps, nous exposerons la théorie de la Relativité Générale avec notamment les principes sur lesquelles elle s'appuie et nous donnerons les éléments mathématiques dont nous avons besoin pour la suite. Puis, une première extension sera présentée avec l'introduction de dimensions supplémentaires et de champs de p-formes qui constituent la généralisation naturelle de l'interaction électromagnétique. Nous construirons dans ce cadre de nouvelles solutions statiques de trous noirs où les p-formes permettent de modeler la géométrie de l'horizon. Nous exposerons ensuite l'extension la plus générale de la théorie d'Einstein en dimension quelconque qui génère des équations du second ordre en la métrique : la théorie de Lovelock. Nous déterminerons dans ce contexte une large classe de solutions en dimension 6 pour laquelle la théorie se réduit à celle d'Einstein-Gauss-Bonnet avec toujours la présence de p-formes. Enfin, nous étudierons une généralisation de la Relativité Générale en dimension 4 dont la modification est induite par un champ scalaire couplé conformément à la gravitation. Nous exhiberons notamment une nouvelle solution de trou noir avec un horizon plat dans cette théorie en présence de champs axioniques. Pour clore cette thèse, l'aspect thermodynamique de ces théories gravitationnelles sera étudié ; ce qui permettra de déterminer la masse et les charges de ces nouvelles solutions et d'étudier des phénomènes de transitions de phase en présence d'un champ scalaire conforme.

L’intérêt majeur des travaux exposés dans cette thèse est d’explorer la chevelure des trous noirs dans des cadres plus généraux que celui de la Relativité Générale en tenant compte de la présence d’une constante cosmologique, de dimensions supplémentaires, de champs de matière exotiques ou de termes de courbure de rang plus élevé. Ces extensions de la Relativité Générale peuvent s’inscrire dans le cadre de la théorie des cordes. C’est en étudiant des extensions naturelles de la Relativité Générale que nous pouvons aussi mieux comprendre la théorie d’Einstein. Dans un premier temps, nous exposerons la théorie de la Relativité Générale avec notamment les principes sur lesquelles elle s’appuie et nous donnerons les éléments mathématiques dont nous avons besoin pour la suite. Puis, une première extension sera présentée avec l’introduction de dimensions supplémentaires et de champs de p-formes qui constituent la généralisation naturelle de l’interaction électromagnétique. Nous construirons dans ce cadre de nouvelles solutions statiques de trous noirs où les p-formes permettent de modeler la géométrie de l’horizon. Nous exposerons ensuite l’extension la plus générale de la théorie d’Einstein en dimension quelconque qui génère des équations du second ordre en la métrique : la théorie de Lovelock. Nous déterminerons dans ce contexte une large classe de solutions en dimension 6 pour laquelle la théorie se réduit à celle d’Einstein-Gauss-Bonnet avec toujours la présence de p-formes. Enfin, nous étudierons une généralisation de la Relativité Générale en dimension 4 dont la modification est induite par un champ scalaire couplé conformément à la gravitation. Nous exhiberons notamment une nouvelle solution de trou noir avec un horizon plat dans cette théorie en présence de champs axioniques. Pour clore cette thèse, l’aspect thermodynamique de ces théories gravitationnelles sera étudié ; ce qui permettra de déterminer la masse et les charges de ces nouvelles solutions et d’étudier des phénomènes de transitions de phase en présence d’un champ scalaire conforme. / The main interest of the work exposed in this thesis is to explore hairy black holes in a more general framework than General Relativity by taking into account the presence of a cosmological constant, of higher dimensions, of exotic matter fields or of higher curvature terms. These extensions to General Relativity can be derived in the context of String Theory. It is also by studying natural extensions to General Relativity that we can more deeply understand the theory of Einstein. Firstly, we will display the theory of General Relativity with its building blocks in particular and we will give the mathematical tools that we need afterwards. Then, a first extension will be detailed with the introduction of higher dimensions and p-form fields which constitute the natural generalization of the electromagnetic interaction. We will build in this framework new static black hole solutions where p-form fields allow to shape the geometry of the horizon. Secondly, we will present the general extension of Einstein theory in any dimension which produces second order field equations: Lovelock theory. We will determine in this context a large class of solutions in dimension 6 for which the theory is reduced to Einstein-Gauss-Bonnet theory with the presence of p-form fields. Thirdly, we will study a generalization of General Relativity in dimension 4 whose modification is induced by a conformally coupled scalar field. We will namely exhibit a new black hole solution with a flat horizon in the presence of axionic fields. To conclude this thesis, thermodynamical aspects of these gravitational theories will be studied. In this way, we will be able to determine the mass and the charges of these new solutions and we will examine phase transition phenomena in the presence of a conformally scalar field.

On étudie dans cette thèse le système d'Einstein-Lichnerowicz, aussi appelé système des contraintes conformes. C'est un système d'équations aux dérivées partielles nonlinéaires elliptiques, obtenu après application de la méthode conforme, qui intervient en théorie de la Relativité Générale, plus précisément dans l'analyse des équations d'Einstein comme un problème d'évolution.Le résultat principal de notre thèse, démontré en toutes dimensions supérieures ou égales à 3, est un résultat de stabilité du système des contraintes conformes. Il exprime la dépendance continue de l'ensemble des solutions du système des contraintes conformes en les grandeurs physiques de la méthode conforme. En ce sens, c'est un résultat de structure sur l'ensemble des solutions du système d'Einstein-Lichnerowicz.Ce résultat exprime aussi la pertinence physique d'une construction physique naturelle qui intervient dans le cadre de la méthode conforme, que nous appelons dans le manuscrit construction de Choquet-Bruhat-Geroch-Lichnerowicz et que nous décrivons en détail.Nous obtenons aussi dans cette thèse des résultats d'existence pour le système d'Einstein-Lichnerowicz. Un premier résultat d'existence est obtenu par des méthodes non-variationnelles. Un résultat indépendant de multiplicité est obternu comme conséquence du résultat de stabilité énoncé plus haut. / We investigate in this work the Einstein-Lichnerowicz constraints system, also called conformal constraints system. It is an elliptic system of nonlinear partial differential equations obtained through the conformal method, and arising in Mathematical General Relativity in the analysis of the Einstein equations as an evolution problem.Our main result, proven in any dimension greater than 3, is a stability result for the conformal constraints system. It asserts the continuous dependence of the set of solutions of the conformal constraints system in the physical parameters of the conformal method. It is then a structure result on the set of solutions of the Einstein-Lichnerowicz constraints system.Our result can be rephrased in terms of the physical relevance of a physical construction naturally arising in the context of the conformal method, that we call Choquet-Bruhat-Geroch-Lichnerowicz formalism and that we describe in detail.We also obtain in this work existence results for the Einstein-Lichnerowicz constraints system. A first existence result is obtained via non-variational methods. An independent multiplicity result is obtained as a consequence of the aforementioned stability result.

Développer une théorie de la diffusion dépendante du temps pour l'équation de Dirac massive en espace-temps Schwarzschil-Anti-de Sitter puis étudier la théorie des résonances pour ce système. En fonction des difficultés rencontrées, on pourra généraliser au cas de Kerr-Anti-de Sitter. On va essayer également de donner une description mathématique rigoureuse de l'effet Hawking soit dans le cadre de Schwarzschil-Anti-de Sitter, soit dans le cadre de Kerr-Anti-de Sitter / Develop a time dependent scattering theory for the massive Dirac equation on Schwarzshild-Anti-de Sitter spacetime then study resonances for this system. Depending on difficulties encountered, we could generalize this to Kerr-Anti-de Sitter. We'll try to give a precise mathematically rigorous description of the Hawking effect either in the the Schwarzschil-Anti-de Sitter or the Kerr-Anti-de Sitter setting

L'objet de ce mémoire est l'étude de processus stochastiques à valeurs dans des variétés lorentziennes. En particulier, on s'intéresse au comportement asymptotique en temps long de ces processus et on souhaite voir en quoi celui-ci reflète la géométrie des variétés sous-jacentes. Nous limitons notre étude à celle de diffusions, c'est-à-dire de processus markoviens continus, à valeurs dans le fibré tangent unitaire de variétés lorentziennes fortement symétriques. L'introduction et l'étude de tels processus ont des motivations purement mathématiques mais aussi physiques. <br /><br />Ce mémoire est composé de deux parties. La première est consacrée à la preuve d'un théorème limite central pour une classe de diffusions minkowskiennes. Elle est motivée par des questions ouvertes de la littérature physique. La seconde partie du manuscrit est consacrée à l'étude détaillée d'une diffusion relativiste à valeurs dans les espaces de Robertson-Walker. En fonction de la courbure et de la vitesse d'expansion de ces espaces, nous déterminons précisément le comportement asymptotique de la diffusion relativiste et montrons que ses trajectoires approchent asymptotiquement des géodésiques de lumière aléatoires. Pour une classe d'espaces de Robertson-Walker, nous explicitons en outre la frontière de Poisson de la diffusion relativiste.

Cette thèse présente quelques applications des théories alternatives de la gravitation relativiste. Nous étudions en particulier le mouvement à deux corps dans une théorie purement scalaire de la gravitation et la production d'ondes gravitationnelles par les systèmes binaires. Nous obtenons nombre de résultats analytiques et numériques relatifs à ce problème. Nous étudions également en détail la théorie MOND (pour \textit{Modified Newtonian Dynamics}) qui cherche à expliquer, en particulier, les courbes de rotation des galaxies en terme d'une modification des lois de la gravitation, et non à l'aide d'un surplus de matière inconnue et invisible, la matière noire. Cela nécessite de recourir à une théorie qui diffère de la relativité générale au moins dans le régime non-relativiste et des champs faibles, ie. qui ne se réduise pas à la théorie de Newton dans cette limite. La construction d'une telle théorie est l'objet d'une partie de cette thèse. Nous présentons quelques modèles alternatifs à la relativité générale susceptibles de rendre compte de la phénoménologie souhaitée, en proposons de nouveaux, et les analysons en détail à la lumière des contraintes les plus importantes que doit satisfaire toute théorie raisonnable : accord avec l'expérience, stabilité, causalité, localité, en plus d'être naturelle. Nous montrons que des problèmes théoriques imposent de modifier significativement la phénoménologie usuelle de MOND, au moins dans les cadres formels les plus usités. Nous proposons également un modèle de l'anomalie Pioneer, et montrons enfin comment expliquer la vitesse d'échappement à la galaxie sans recours à un quelconque halo de matière noire.

Cette habilitation présente mes travaux de gravitation observationnelle et expérimentale.