In this thesis we address several analytical and numerical problems related with the general relativistic study of black hole space-times and boson stars. We have developed a new centered finite volume method based on the flux splitting approach. The techniques for dealing with the singularity, steep gradients and apparent horizon location, are studied in the context of a single Schwarzschild black hole, in both spherically symmetric and full 3D simulations. We present an extended study of gauge instabilities related with a class of singularity avoiding slicing conditions and show that, contrary to previous claims, these instabilities are not generic for evolved gauge conditions. We developed an alternative to the current space coordinate conditions, based on a generalized Almost Killing Equation. We performed a general relativistic study regarding the long term stability of Mixed-State Boson Stars configurations and showed that they are suitable candidates for dark matter models. / En esta tesis abordamos varios problemas analíticos y numéricos relacionados con el estudio de agujeros negros relativistas y modelos de materia oscura. Hemos desarrollado un nuevo método de volúmenes finitos centrados basado en el enfoque de la división de flujo. Discutimos las técnicas para tratar con la singularidad, los gradientes abruptos y la localización del horizonte aparente en el contexto de un solo agujero negro de Schwarzschild, en simulaciones tanto con simetría esférica como completamente tridimensionales. Hemos extendido el estudio de una familia de condiciones de foliaciones evitadoras de singularidad y mostrado que ciertas inestabilidades no son genéricas para condiciones de gauge dinámicas. Desarrollamos una alternativa a las prescripciones actuales basada en una Almost Killing Equation generalizada. Hemos realizado también un estudio con respecto a la estabilidad a largo plazo de configuraciones de Mixed-State Boson Stars, el cual sugiere que estas podrían ser candidatas apropiadas para modelos de materia oscura.

Observations from the 1930s until the present have established the existence of dark matter with an abundance that is much larger than that of luminous matter. Because none of the known particles of nature have the correct properties to be identified as the dark matter, various exotic candidates have been proposed. The neutralino of supersymmetric theories is the most promising example. Such cold dark matter candidates, however, lead to a conflict between the standard simulations of the evolution of cosmic structure and observations. Simulations predict excessive structure formation on small scales, including density cusps at the centers of galaxies, that is not observed. This conflict still persists in early 2007, and it has not yet been convincingly resolved by attempted explanations that invoke astrophysical phenomena, which would destroy or broaden all small scale structure. We have investigated another candidate that is perhaps more exotic: Lorentz-violating dark matter, which was originally motivated by an unconventional fundamental theory, but which in this dissertation is defined as matter which has a nonzero minimum velocity. Furthermore, the present investigation evolved into the broader goal of exploring the properties of Lorentz-violating matter and the astrophysical consequences – a subject which to our knowledge has not been previously studied. Our preliminary investigations indicated that this form of matter might have less tendency to form small-scale structure. These preliminary calculations certainly established that Lorentz-violating matter which always moves at an appreciable fraction of the speed of light will bind less strongly. However, the much more thorough set of studies reported here lead to the conclusion that, although the binding energy is reduced, the small-scale structure problem is not solved by Lorentz-violating dark matter. On the other hand, when we compare the predictions of Lorentz-violating dynamics with those of classical special relativity and general relativity, we find that differences might be observable in the orbital motions of galaxies in a cluster. For example, galaxies – which are composed almost entirely of dark matter – observed to have enlarged orbits about the cluster center of mass may be an indication of Lorentz violation.

Nous étudions différentes situations de distribution de la matière d’une bulle de masse négative. En effet, pour les bulles statiques et à symétrie sphérique, nous commençons par l’hypothèse qui dit que cette bulle, étant une solution des équations d’Einstein, est une déformation au niveau d’un champ scalaire. Nous montrons que cette idée est à rejeter et à remplacer par celle qui dit que la bulle est formée d’un fluide parfait. Nous réussissons à démontrer que ceci est la bonne distribution de matière dans une géométrie Schwarzschild-de Sitter, qu’elle satisfait toutes les conditions et que nous sommes capables de résoudre numériquement ses paramètres de pression et de densité. / We study different situations of matter distribution of a negative mass bubble. For the case of static and spherically symmetric bubbles, we start with the hypothesis saying that this kind of bubble, being a solution of Einstein equations, is a deformation of scalar field. We show that this idea must be rejected and replaced by another saying that the bubble is formed by a perfect fluid. We succeed to demonstrate that this is the proper matter distribution within Schwarzschild-De Sitter geometry, that it satisfies all conditions and that we’re capable of resolving numerically its parameters of pressure and density.

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Les galaxies elliptiques ne sont des objets astronomiques très simples qu'en apparence: leur forme parfaitement régulière et ellipsoïdale est davantage le vestige d'une histoire tumultueuse semée d'interactions gravitationnelles avec d'autres galaxies plutôt que le signe d'un stade primitif dans leur vie. En effet, ces deux dernières décennies ont révélé la complexité de ces objets au niveau de leur cinématique interne, et surtout récemment avec le spectrographe intégral de champ SAURON qui a permis de dresser la structure bidimensionnelle de la vitesse de nombreuses galaxies elliptiques. La compréhension de la formation et de l'évolution de ces objets est un enjeu majeur de l'astrophysique contemporaine. La théorie hiérarchique de formation et d'évolution des galaxies, selon laquelle une galaxie est le résultat de nombreuses interactions et de fusions d'objets moins massifs, est à l'heure actuelle la mieux soutenue par les observations. Ainsi, elle permet de rendre compte de structures complexes telles les galaxies à coeur cinématiquement distinct, dans lesquelles on observe un brusque changement dans la courbe de rotation. Certains de ces objets montrent même une inversion dans le sens de rotation de la partie interne. De nombreuses études ont été réalisées pour comprendre les mécanismes de formation de ces coeurs, et la plupart d'entre elles semblent nécessiter l'apport d'un corps externe voire la fusion de deux galaxies. Dans ce travail nous réalisons dans un premier temps un catalogue de ces objets, afin d'en dégager les conclusions majeures. Dans un second temps nous présentons une méthode permettant d'extraire la signature orbitale de ces structures découplées en utilisant une modélisation dynamique de Schwarzschild . Nous appliquons cette méthode à trois objets dont nous disposons des données intégrales de champ, et tentons d'en extraire les principaux points communs. Finalement nous soulignons la valeur de cette méthodologie pour contraindre les modèles hiérarchiques de formation.

Le but est d’explorer l’interaction entre les particules quantiques et la gravitation. On utilisera la quantification de Landau, l’effet Hall quantique et on examinera la relation entre la gravitation et l’effet Josephson. On propose une version de l’expérience "COW" (Colella-Overhauser-Werner) pour examiner les déviations de la loi du carré inverse de type Yukawa et de puissance inverse. Il est question de montages permettant d’investiguer la possibilité de mesurer le gravitomagnétisme et la constante de la gravitation G. On a examiné les transitions quantiques pour des neutrons ultra-froids (Ultra-Cold Neutron : UCN). Les résultats étaient satisfaisants pour 105 UCN. On a imaginé un effet laser avec ces neutrons émetteurs de gravitons : le phénomène est cependant très faible. Pour les corrections des niveaux de Landau : on a utilisé trois types d’espace-temps. Pour Schwarzschild, en utilisant une masse perturbatrice, les corrections d’ordres 1 et 2 dépendent du niveau n et du nombre quantique `. Cela enlève la dégénérescence des niveaux conventionnels. On obtient des résultats similaires pour les espaces-temps de Kerr et de Levi-Civita. On a proposé une expérience analogue à l’expérience COW. On a des déphasages malgré de faibles valeurs anticipées : de 10^−18 rad à 10^−4 rad pour le type Yukawa et de 10^−3 rad à 10^−9 rad pour puissance inverse. On a proposé des mesures possibles pour le gravitomagnétisme. On a aussi repris l’étude de l’influence de la gravitation sur l’effet Hall quantique. On obtient de faibles corrections pour un champ gravitationnel. On ne peut toutefois pas conclure à des quantités mesurables pour les déviations de type Yukawa et de puissance inverse. Par contre, on peut utiliser l’effet pour mesurer G avec grande précision. On a examiné l’effet Josephson sous l’effet de la gravitation en imaginant un montage simple. On a d’excellents résultats : des corrections de 10^−7 à 10^−9 Hz pour des déviations de type Yukawa et 10^−6 Hz pour des déviations en puissance inverse. Surtout, le lien entre la gravitation et la fréquence du courant de Josephson est clairement établit et mesurable. / The goal is to explore the interaction between quantum particles and gravitation. We will use Landau quantization, the quantum Hall effect and we will examine the relationship between gravity and Josephson’s effect. We propose a version of "COW" experience (Colella-Overhauser-Werner) to examine the Yukawa and inverse power deviations. We propose setups to investigate the possibility to measure gravitomagnetism and the gravitational constant G. Quantum transitions for ultra-cold neutrons (UCN) have been examined. The results were satisfactory for 105 UCN. We imagined a laser effect with these graviton emitting neutrons: the phenomenon is however very weak. For Landau level corrections: we proceeded with three types of space-times. For Schwarzschild, using a disturbing mass, the corrections of orders 1 and 2 depend on the level n and the quantum number "`". This removes the degeneracy of conventional levels. Similar results are obtained for the Kerr and the Levi-Civita spacetimes. We took over an analog of the COW experiment. We have phase shifts despite low expected values: from 10^−18 rad to 10^−4 rad for Yukawa and from 10^−3 rad to 10^−9 rad for inverse power laws. The same setup has been proposed for testing gravitomagnetism. We have also resumed the study of the influence of gravity on the quantum Hall effect. Small corrections are obtained for a gravitational field. We cannot however conclude with measurable quantities for Yukawa and inverse power laws. On the other hand, one can use the effect to measure G with great precision. We examined the Josephson effect under the effect of gravity by imagining a simple setup. We have excellent results: corrections from 10^−7 to 10^−9 Hz for Yukawa and 10^−6 Hz for inverse power law. Above all, the link between gravity and the frequency of Josephson’s current is clearly established and measurable.

Hawking radiation is a phenomenon where the combination of geometry of spacetime around a black hole and quantum effects near its event horizon causes particle emission. Stephen Hawking was one of the first to make computations and conclude that this is valid for every black hole in general. Therefore, the goal of the project was to understand how the presence of a black hole changes geometry of spacetime, explore some of its peculiar properties and, finally, connect it to Hawking radiation. It turns out that one way to describe geometry around a black hole is to use the Schwarzchild metric which fully describes surroundings of a non-rotating and uncharged black hole. Using the so called Klein-Gordon equation and some additional computations one then sees that there’s indeed a particle emission. However, the radiation appears to be observer dependent which is due to curvature near event horizon. Hawking radiation has temperature which happens to be extremely small to detect, but this result reveals the fact that black holes radiate faster as they shrink. However, the time it takes for an arbitrary black hole to evaporate is much longer than the age of the Universe. Encountering those and some other challenges Hawking radiation remains hypothetical. / Hawkingstrålning är ett fenomen där kombinationen av geometri av rumtid runt ett svart hål och kvantmekaniska effekter nära dess händelsehorisont leder till partikel emission. Stephen Hawking var bland de första att göra beräkningar och dra slutsatsen att detta är giltigt för alla svarta hål. Syftet med projektet var därför att förstå hur närvaron av ett svart hål ändrar geometri av rumtid, undersöka dess vissa speciella egenskaper samt anknyta det till Hawkingstrålning. Det visar sig att ett sätt att beskriva geometri kring ett svart hål är att använda Schwarzchild metriken som helt beskriver omgivningen av ett icke roterande och oladdat svart hål .Använder man sig av så kallade Klein-Gordon ekvationen och några ytterligare beräkningar så kommer man till slutsaten att det verkligen finns enemission av partiklar. Emissionen verkar dock vara observatörsberoende på grund av krökning nära händelsehorisont. Hawkingstrålning har temperatur som visar sig vara extremt liten för att upptäcka, men resultaten avslöjar faktumet att svarta hål strålar ut snabbare då de krymper. Tiden det tar för ett godtyckligt svart hål att koka bort är dock mycket längre än åldern of Universum. På grund av dessa och några andra utmanningar återstår Hawkingstrålning hypotetiskt.

L'existence de la masse négative a un sens parfaitement physique du moment que les conditions d'énergie dominante sont satisfaites par le tenseur énergie-impulsion correspondant. Jusqu'à maintenant, seules des configurations de masses négatives avaient été trouvées. On démontre l'existence de bulles de masse négative stables dans un espace-temps qui s'approche asymptotiquement d'un espace-temps de de Sitter. Les bulles sont des solutions aux équations d'Einstein qui correspondent à une région intérieure qui contient une distribution de masse spécifique séparée par une coquille mince de l'espace-temps à masse négative de Schwarzschild-de Sitter à l'extérieur. Ensuite, on applique les conditions de jonction d'Israel à la frontière de la bulle ce qui impose la conservation d'énergie-impulsion à travers la surface. Les conditions de jonction donnent une équation pour un potentiel pour le rayon de la bulle qui dépend de la distribution de masse à l'intérieur, ou vice versa. Finalement, on trouve un potentiel qui aboutit à une solution stable, statique et non-singulière, ce qui crée une distribution de masse interne qui satisfait les conditions d'énergie dominante partout à l'intérieur. Cependant, la bulle ne satisfait pas ces conditions. De plus, on trouve une solution stable, statique et non-singulière pour une géométrie interne de de Sitter pure. La solution est fondamentalement différente: elle requiert que la densité d'énergie de la bulle change avec le rayon. La condition d'énergie dominante est satisfaite partout. / Negative mass makes perfect physical sense as long as the dominant energy condition is satisfied by the corresponding energy-momentum tensor. Until now, only configurations of negative mass have been found. We demonstrate the existence of stable, negative-mass bubbles in an asymptotic de Sitter space-time. The bubbles are solutions of the Einstein equations which correspond to an interior region of space-time containing a specific distribution of mass separated by a thin wall from the exact, negative mass Schwarzschild-de Sitter space-time in the exterior. Then, we apply the Israel junction conditions at the wall which impose the conservation of energy and momentum across the wall. The junction conditions give rise to an effective potential for the radius of the wall that depends on the interior mass distribution, or vice versa. Finally, we find a potential that gives rise to stable, non-singular, static solutions, which yields an interior mass distribution that everywhere satisfies the dominant energy condition. However, the energy momentum of the wall does not satisfy the dominant energy condition. Moreover, we find a stable, non-singular, static solution for a pure de Sitter geometry inside the bubble. The solution is fundamentally different: the energy density of the bubble is no longer a constant, but now varies with the radius. The dominant energy condition is everywhere satisfied.