Dans cette thèse je présente les travaux effectués lors de mon doctorat à l'Institut de Physique Théorique (IPhT) du CEA de Saclay, sous la direction de Iosif Bena. Ceux-ci ont pour cadre la théorie des cordes, et plus précisément la supergravité à dix et onze dimensions, comme limite de basse énergie de la théorie des cordes. La première partie concerne l'étude des trous noirs et microétats de trous noirs supersymétriques à trois charges. En utilisant une D-brane supersymétrique appelée supertube, nous avons effectué une approche test et montré que cette approche capture dans tous les cas connus les propriétés physiques de la solution complête de supergravité. Nous avons aussi prouvé que le supertube, quand il est placé dans un fond ayant des charges magnétiques, voit son entropie augmentée par rapport à celle qu'il a en espace plat. Les solutions de supergravité sourcées par des supertubes étant régulières et sans horizon, elles peuvent être vues, dans le contexte du “fuzzball proposal”, comme des microétats de trous noirs. Cette entropie augmentée pourrait donc contribuer pour une large part dans le cadre d'un comptage microscopique de l'entropie de trou noir, . Dans la deuxième partie de la thèse, je présente une nouvelle classe de solutions non supersymétriques de supergravité `a onze dimensions, appelées solutions “à branes flottantes”. Les équations donnant ces nouvelles solutions généralisent les équations BPS, et ont, comme ces dernières, l'énorme avantage d'être partiellement du premier ordre et linéaires. Les équations BPS, et donc toutes les solutions supersymétriques, se retrouvent comme une sous-famille des équations à branes flottantes. Certaines de ces nouvelles solutions ont un horizon et sont donc des trous noirs – avec des topologies d'horizon variées – mais certaines sont complètement régulières et sans horizons et correspondraient à des microétats de trous noirs non extrémaux.

Plusieurs observations récentes semblent montrer l'existence d'effets relativistes dans l'émission des trous noirs (raie de fluorescence du Fer large, variabilité). Je présente des outils numériques pour calculer les effets relativistes (le décalage gravitationnel, la courbure de l'espace-temps) de manière cohérente dans les processus de rayonnement X et gamma autour des trous noirs. Ces codes basés sur des méthodes Monte-Carlo permettent de prendre en compte la dépendance angulaire de l'émission de la source. Les méthodes d'optimisation des codes sont aussi présentées car les temps de calcul peuvent devenir considérablement élevés. Ces outils sont appliqués pour étudier le comportement des photons et des leptons en métrique de Kerr, l'influence de la position de la source par rapport au trou noir et de l'angle d'émission, ainsi que les effets observables sur l'émission d'un disque localisé dans le plan équatorial. Le modèle axisymétrique utilisé comprend une source X en forme d'anneau située au dessus d'un disque d'accrétion autour d'un trou noir en rotation. Les spectres observés sont la superposition de la composante primaire, observée directement de la source, et de la composante réfléchie par le disque. La forme, la normalisation et la dépendance angulaire des deux composantes sont étudiées en faisant varier le rayon de l'anneau et la distance entre la source et le disque. Les effets de la relativité générale sont mis en évidence par comparaison avec les résultats obtenus en métrique Newtonienne et en relativité restreinte. Les réflexions multiples sont prises en compte, pour les photons réfléchis qui retournent vers le disque d'accrétion en raison de la courbure de l'espace, et leur influence quantifiée. Finalement, afin de confronter nos calculs aux observations, nous avons regardé la relation prédite par notre modèle, entre la composante directe et la composante réfléchie, quand la position de la source varie. Les résultats obtenus reproduisent bien les données reportées pour la source NGC4051, et donnent alors des informations sur la variation de la position de la source. J'ai donc démontré que les effets relativistes sont très importants dans la région proche du trou noir et ne peuvent être négligés dans les spectres d'émission à haute énergie. Je montre également comment les outils numériques correspondants (incluant des méthodes d'optimisation) peuvent être incorporés dans les codes de transfert de rayonnement

Ce travail de thèse se concentre sur l'approche non-perturbative canonique à la formulation d'une théorie quantique de la gravitation dans le cadre de la Gravitation quantique à boucles (LQG), répondant à deux problèmes majeurs. Dans la première partie, nous étudions la possible quantification, dans le cadre de la LQG, de la gravité en trois dimensions avec constante cosmologique et nous essayons de prendre contact avec autres approches de quantification déjà existantes dans la littérature. Dans la deuxième partie, nous nous concentrons sur une application très importante de la LQG: la définition et le comptage des états microscopiques d'un ensemble en mécanique statistique qui fournit une description de l'entropie des trous noirs. Notre analyse s'appuie fortement sur et s'étend à un traitement manifestement SU(2) invariant les travaux fondateurs de Ashtekar et al. / This thesis work concentrates on the non-perturbative canonical approach to the formulation of a quantum theory of gravity in the framework of Loop Quantum Gravity (LQG), addressing two major problems. In the first part, we investigate the possible quantization, in the context of LQG, of three dimensional gravity in the case of non-vanishing cosmological constant and try to make contact with alternative quantization approaches already existing in the literature. In the second part, we concentrate on a very important application of LQG: the definition and the counting of microstates of a statistical mechanical ensemble which provides a description and accounts for the black hole entropy. Our analysis strongly relies on and extends to a manifestly SU(2) invariant treatment the seminal work of Ashtekar et al.

Il existe des nombreuses solutions lisses dans le domaine de la théorie des cordes, caractérisées par une topologie non triviale (bulles) et sans sources localisées. Dans cette thèse nous analysons quelques-unes parmi les solutions les plus importantes avec les différents objectifs pour lesquels ils sont étudiés. Des solutions lisses en onze dimensions peuvent être interprétées comme microétats BPS de trou noir dans le cadre de la Fuzzball proposal. On peut promouvoir ces microétats à être quasi-BPS en plaçant de supertubes au minimum métastable à l’intérieur de ces solutions. Nous montrons que ces minima peuvent abaisser leur énergie lorsque les bulles se déplacent dans certaines directions dans l’espace des modules, ce qui implique que ces microétats quasi-BPS sont en fait instables. L’énergie dissipée par ces solutions correspond au rayonnement Hawking et on compare le taux d’émission et la fréquence à celles du trou noir correspondant. En modifiant la géométrie asymptotique de ces microétats on pourrait construire des microétats pour des trous noirs BPS sans charge électrique en cinq dimensions. Il faut donc trouver une nouvelle solution de supergravité en cinq dimensions dont la norme du vecteur de Killing passe de positive à nulle dans certaines régions. Nous construisons des exemples explicites où la norme du vecteur de Killing supersymétrique est une fonction réelle non-analytique telle que tous ses dérivés sont nulles à un point où le vecteur de Killing devient nul. Dans la solution de Lin-Lunin-Maldacena on trouve un mécanisme pour briser la supersymétrie similaire à celui utilisé pour les microétats quasi-BPS. Nous analysons l’énergie potentielle de branes M2 polarisés en branes M5. Lorsque les charges des M2 sont parallèles à ceux de la solution, nous trouvons des configurations stables. Lorsque les charges des M2 ne sont pas parallèles, nous trouvons des états métastables qui brisent la supersymétrie et nous analysons le processus de rayonnement d’énergie. Nous analysons aussi la solution de Klebanov-Strassler et construisons sa version T- duale dans la supergravité de type IIA. Pour cela une analyse approfondie est nécessaire pour choisir l’isomérie la plus appropriée. Notre construction est la première étape d’un programme pour tester la stabilité des antibranes dans la supergravité de type IIA. / There exist many smooth solutions in String Theory characterized by a nontrivial topology threaded by fluxes and no localized sources. In this thesis we analyze some of the most important bubbled solutions along with the different purposes they are studied for. Some smooth, eleven-dimensional solutions can be interpreted as BPS black hole microstates in the context of the Fuzzball proposal. One can promote these to be microstates for near-BPS black holes by placing probe supertubes at a metastable minimum inside these solutions. We show that these minima can lower their energy when the bubbles move in certain directions in the moduli space, which implies that these near-BPS microstates are in fact unstable. The decay of these solutions corresponds to Hawking radiation and we compare the emission rate and frequency to those of the corresponding black hole. By modifying the asymptotic behavior of these microstates one could be able to construct microstates for five-dimensional BPS black holes with no electric charge. To do so one needs to find a new supergravity solution in five-dimensions whose Killing vector switches from timelike to null in some open regions. We construct explicit examples where the norm of the supersymmetric Killing vector is a real not-everywhere analytic function such that all its derivatives vanish at a point where the Killing vector becomes null. In the Lin-Lunin-Maldacena solution we find a supersymmetry-breaking mechanism similar to that used for near-BPS microstates. We analyze the potential energy of M2 probes polarized into M5 brane shells. When the charges of the probe are parallel to those of the solution we find stable configurations, while when the charges are opposite we find metastable states that break supersymmetry and analyze the decay process to supersymmetric configurations. We analyze also the Klebanov-Strassler solution and construct its T-dual version in Type IIA. This is done by just reconstructing the solution expanded on a small region of the deformed conifold, after a thorough analysis to choose the most suitable isometry. Our construction is the first step in a program to test the stability of antibranes in Type IIA backgrounds.

Vingt années se sont écoulées depuis la découverte de l'expansion accélérée de l'Univers, ravivant l'intérêt pour les théories alternatives de la gravité. Ajouter un champ scalaire à la métrique habituelle de la relativité générale est l'une des manières les plus simples de modifier notre théorie de la gravité. En parallèle, nos connaissances sur les trous noirs et les étoiles à neutrons sont en plein essor, grâce notamment au développement de l'astronomie par ondes gravitationnelles. Cette thèse se situe au carrefour entre les deux domaines : elle étudie les propriétés des objets compacts dans les théories tenseur-scalaire généralisées. Je commence par rappeler les théorèmes d'unicité essentiels établis depuis les années soixante-dix. Après avoir présenté le théorème d'unicité pour les trous noirs en théorie de Horndeski, je l'étends aux étoiles. La deuxième partie de cette thèse détaille les différentes manières de contourner ce théorème. Parmi elles, je présente des solutions où la dépendance temporelle du champ scalaire permet de le raccorder à une solution cosmologique, mais aussi des trous noirs statiques et asymptotiquement plats. Dans la troisième partie, j'établis un critère important pour la stabilité de ces solutions, qui s'appuie sur leur structure causale. C'est aussi l'occasion d'étudier la propagation des ondes gravitationnelles au voisinage de trous noirs, et de sélectionner les théories dans lesquelles les ondes gravitationnelles se propagent à la même vitesse que la lumière. / Twenty years have passed since the discovery of the accelerated expansion of the Universe, reviving the interest for alternative theories of gravity. Adding a scalar degree of freedom to the usual metric of general relativity is one of the simplest ways to modify our gravitational theory. In parallel, our knowledge about black holes and neutron stars is booming, notably thanks to the advent of gravitational wave astronomy. This thesis is at the crossroads between the two fields, investigating the properties of compact objects in extended scalar-tensor theories. I start by reviewing essential no-hair results established since the seventies. After discussing the no-hair theorem proposed for black holes in Horndeski theory, I present its extension to stars. The second part of the thesis investigates in detail the various ways to circumvent this theorem. These notably include solutions with a time-dependent scalar field in order to match cosmological evolution, but also static and asymptotically flat configurations. In a third part, I establish an important stability criterion for these solutions, based on their causal structure. It is also the occasion to study the propagation of gravitational waves in black hole environments, and to select the theories where gravitational waves travel at the same speed as light.

Les trous noirs sont produits par effondrement gravitationnel d'étoiles supermassives et contiennent en leur centre une singularité de l'espace-temps habillée d'un horizon auquel rien ne peut s'échapper. Ils se situent à la frontière théorique commune entre la Relativité Générale et la Mécanique Quantique, ce qui en fait le principal laboratoire théorique et expérimental pour tester les théories quantiques de la gravité comme la Théorie des Cordes. L'entropie d'un trou noir est énorme, de l'ordre de sa masse au carré. Comme tout objet entropique, une description microscopique en termes de dégénérescence d'états devrait exister. De plus, le trou noir s'évapore par rayonnement d'Hawking et l'information à l'intérieur semble perdue, ce qui compromet la principe d'unitarité, pierre angulaire de la Mécanique Quantique. Par conséquent, la Théorie des Cordes doit fournir les degrés de liberté nécessaires pour décrire la nature de micro-état de trous noirs, elle doit également trouver un mécanisme résolvant la singularité et le paradoxe de la perte d'information. Cette thèse porte sur la physique des trous noirs à travers le "fuzzball proposal" et le "microstate geometry program". La majeure partie de la discussion se déroulera dans la limite de basse énergie de la Théorie des Cordes, c'est-à-dire en Supergravité. Le ``proposal" stipule qu'il existe "eS" solutions non singulières sans horizon qui ressemblent à un trou noir à large distance mais qui diffèrent à proximité de l'horizon. Sur la base de cette affirmation, la solution de trou noir classique correspond à la description statistique d'un système de solutions qui ont la même géométrie que le trou noir à l'extérieur de l'horizon, mais qui se terminent par des géométries régulières, dites "fuzzy". La proposition soulève plusieurs questions : Comment la singularité est-elle résolue ? De telles géométries peuvent-elles être construites en Supergravité ? Comment l'information s'échappe-t-elle de l'ensemble des micro-états ? La thèse est décomposée en trois parties. La première partie présente les bases et donne un aperçu du "microstate geometry program". La deuxième partie regroupe cinq travaux qui se consacrent à construire de larges familles de micro-états de trous noirs supersymétriques ou non supersymétriques. La dernière partie passe en revue deux travaux. L'un d'eux étudie le processus de diffusion dans les micro-états. Cela permet d'élucider comment le principe d'unicité est restaurée et comment l'information s'échappe des micro-états. La seconde traite du rôle des micro-états dans le contexte de la correspondance AdS2/CFT1 et donne l'ébauche d'une preuve pour le "fuzzball proposal". / Black holes are produced by gravitational collapse of supermassive stars and consist of a spacetime singularity dressed by a horizon from which nothing can escape. They lie at the common theoretical border between General Relativity and Quantum Mechanics, making them the main theoretical and experimental laboratory for testing quantum theories of gravity as String theory. The entropy of a black hole is huge, of the order of its mass squared. As any entropic object, a microscopic description in terms of large degeneracy of states should exist. Moreover, black hole evaporates through thermal Hawking's radiation and the information in the interior seems lost, that compromises the unitary principle, a cornerstone of Quantum Mechanics. Therefore, String Theory must provide the degrees of freedom necessary to describe the microstate nature of black holes, it must also find a mechanism resolving the singularity and the information loss paradox. This thesis addresses black-hole physics through the lens of the fuzzball proposal and the microstate geometry program. The major part of the discussion will be conducted in the low-energy limit of String Theory, that is in Supergravity. The proposal states that there exist "eS" horizonless non-singular solutions that resemble a black hole at large distance but differ in the vicinity of the horizon. Based on this statement, the classical black-hole solution corresponds to the average description of a system of solutions which match the black-hole geometry outside the horizon but cap off as ``fuzzy" smooth geometries in the infrared. The proposal leads to several questions: How is the singularity resolved? Can "eS" such geometries be built in Supergravity? How does the information escape from the ensemble of microstates?The thesis is decomposed in three parts. The first part introduces the basic materials and gives a review of the microstate geometry program. The second part gathers five works that all consist in constructing large classes of smooth horizonless microstate geometries of supersymmetric or non-supersymmetric black holes. The last part review two works. One is investigating the scattering process in microstate geometries. This helps to elucidate how unitarity is restored and how information escapes from black-hole backgrounds. The second one addresses the role of microstate geometries in the context of the AdS2/CFT1 correspondence and gives a beginning of proof for the fuzzball proposal.

Dans l’Univers, on observe des galaxies lointaines ne formant plus d’étoiles, mais les astrophysiciens n’ont pas encore identifié avec certitude les phénomènes physiques à l’origine de leur “mort”. Pour apporter des éléments de réponse, je me suis penchée sur l’étude de phénomènes qui pourraient y jouer un rôle : les processus de rétroaction des étoiles et des trous noirs supermassifs actifs, la formation stellaire, et les vents galactiques. Le Chapitre 1 présente toutes les notions nécessaires à la compréhension du problème : les caractéristiques des galaxies typiques de l’Univers proche et lointain ; les vents galactiques ; la mort des galaxies; les trous noirs supermassifs actifs (noyaux actifs de galaxies, AGN) et les étoiles ; et leur rétroaction. Dans le Chapitre 2, je présente les techniques numériques utilisées : le code de simulations astrophysiques RAMSES et le code de transfert radiatif Cloudy, que j’ai utilisé pour développer une méthode de calcul de l’état d’ionisation d’une galaxie, détaillée au Chapitre 3. Le Chapitre 4 étudie le couplage entre les trous noirs actifs et les étoiles, avec le projet POGO, Origines Physiques des Vents Galactiques. Durant cette thèse, j’ai montré que les trous noirs actifs n’étaient pas en mesure de tuer subitement leur hôte, même en prenant en compte la rétroaction des étoiles, et que leur couplage peut réduire ou renforcer les vents dans les galaxies en fonction de leur masse. Le Chapitre 5 fait un état de l’art du domaine avant et pendant mon doctorat, reprend les conclusions de cette thèse et donne quelques perspectives, notamment en ce qui concerne le rôle additionnel des rayons cosmiques dans la mort des galaxies / In the Universe, we observe galaxies forming no, or almost no, stars anymore, but astrophysicists do not know yet what physical mechanisms cause their “death”. To give clues to solve the problem, I studied feedback processes from stars and active supermassive black holes, star formation and galactic outflows. Chapter 1 presents all the notions to understand the problem: the characteristics of typical galaxies in the local and distant Universe, galactic outflows, galaxy death, active supermassive black holes, stars, and their feedback processes. In Chapter 2, I describe the numerical techniques I used: the simulation code RAMSES, and the radiative transfer code Cloudy, which I used to develop a computation method to get the ionization state of an entire galaxy. This method is presented in Chapter 3. Chapter 4 studies the coupling between the feedback processes of active supermassive black holes and stars, with the POGO project, Physical Origins of Galactic Outflows. During this thesis, I showed that typical active supermassive black hole cannot suddenly kill their host, even when stellar feedback processes are accounted for, and that their coupling either reduces or enhances the mass outflow rate depending on the mass of the host. In Chapter 5, I give a state-of-the-art about active supermassive black holes before and during my thesis, sum up the conclusions of the work, and give perspectives to enlarge the scope of the study, especially regarding the additional role of cosmic rays in the death of galaxies

Les résultats présentés dans cette thèse concernent l'étude de la<br />théorie de la diffusion pour des champs de Dirac dans plusieurs<br />espaces-temps de la relativité générale. Les méthodes complètement<br />dépendantes du temps développées par Enss, Sigal, Soffer, Graf,<br />Derezi\'nski et Gérard constituent le fil conducteur de ce<br />travail. Ces méthodes sont basées sur des estimations de propagation<br />comme les estimations de vitesse minimale (obtenues par une théorie de<br />Mourre) qui correspondent à une version faible du principe de Huygens <br />et sur l'étude d'observables asymptotiques naturelles comme les<br />opérateurs de vitesse asymptotiques. Dans un premier temps, on teste<br />ces méthodes en étudiant la propagation de champs de Dirac, massifs ou<br />non, perturbés par des potentiels à longue portée, en espace-temps<br />plat. On montre ainsi <br />l'existence et la complétude asymptotique des opérateurs d'onde<br />modifiés. Dans un deuxième temps, on s'intéresse à des situations<br />géométriques plus compliquées en étudiant la propagation de ces champs<br />à l'extérieur de trous noirs de Reissner-Nordström (à symétrie<br />sphérique) et de Kerr-Newman (en rotation) du point de vue<br />d'observateurs lointains. L'originalité de ce type d'étude réside dans<br />le fait que les observateurs distinguent deux régions asymptotiques<br />(l'horizon du trou noir et l'infini spatial) aux structures<br />géométriques bien différentes ce qui entraîne l'existence de deux<br />canaux de diffusion. Dans le cas de trous noirs à symétrie<br />sphérique, une décomposition sur une base d'harmoniques sphériques<br />permet de se ramener à un problème à une dimension d'espace, du type<br />espace-temps plat. La difficulté essentielle provient alors de<br />l'absence de symétrie sphérique des trous noirs de Kerr-Newman qui<br />rend impossible une telle simplification. Dans les deux cas, on montre <br />l'existence et la complétude asymptotique des opérateurs d'onde<br />(modifiés à l'infini) à l'aide des méthodes dépendantes du temps.

This thesis is divided in two parts: the first part is dedicated to the study of black hole solutions in a theory of modified gravity, called massive gravity, that may be able to explain the actual stage of accelerated expansion of the Universe, while in the second part we focus on constraining primordial black holes as dark matter candidates.<p><p>In particular, during the first part we study the thermodynamical properties of specific black hole solutions in massive gravity. We conclude that such black hole solutions do not follow the second and third of law of thermodynamics, which may signal a problem in the model. For instance, a naked singularity may be created as a result of the evolution of a singularity-free state.<p><p>In the second part, we constrain primordial black holes as dark matter candidates. To do that, we consider the effect of primordial black holes when they interact with compact objects, such as neutron stars and white dwarfs. The idea is as follows: if a primordial black hole is captured by a compact object, then the accretion of the neutron star or white dwarf’s material into the hole is so fast that the black hole destroys the star in a very short time. Therefore, observations of long-lived compact objects impose constraints on the fraction of primordial black holes. Considering both direct capture and capture through star formation of primordial black holes by compact objects, we are able to rule out primordial black holes as the main component of dark matter under certain assumptions that are discussed.<p><p>To better understand the relevance of these subjects in modern cosmology, we begin the thesis by introducing the standard model of cosmology and its problems. We give particular emphasis to modifications of gravity, such as massive gravity, and black holes in our discussion of the dark sector of the Universe./<p>Cette thèse est divisée en deux parties :la première partie est consacrée à l’étude de certaines solutions de trous noirs dans une théorie modifiée de la gravité, appelée la gravité massive, qui peut être en mesure d’expliquer l’expansion accélérée de l’Univers; tandis que dans la seconde partie, nous nous concentrons sur des contraintes sur les trous noirs primordiaux comme candidats de matière noire.<p><p>En particulier, au cours de la première partie, nous étudions les propriétés thermodynamiques de solutions spécifiques de trous noirs en gravité massive. Nous en concluons que ces solutions de trous noirs ne suivent ni la deuxième, ni la troisième loi de la thermodynamique, ce qui semble indiquer une inconsistance dans le modèle. Par exemple, une singularité nue peut être créée à la suite de l’évolution d’un état sans aucune singularité.<p><p>Dans la deuxième partie, nous mettons des contraintes sur les trous noirs primordiaux en tant que candidats de matière noire. Pour ce faire, nous considérons l’effet des trous noirs primordiaux lorsqu’ils interagissent avec des objets compacts, tels que les étoiles à neutrons et les naines blanches. L’idée est comme suit :si un trou noir primordial est capturé par un objet compact, alors l’accrétion du matériel constituant l’étoile à neutrons ou la naine blanche est si rapide que le trou noir détruit l’étoile en un temps très court. Par conséquent, les observations d’objets compacts imposent des contraintes sur la fraction de trous noirs primordiaux. Considérant à la fois la capture directe des trous noirs primordiaux par les objets compacts et la capture au travers de la formation stellaire, nous sommes en mesure d’exclure les trous noirs primordiaux comme la composante principale de matière noire sous certaines hypothèses qui sont discutées.<p><p>Pour mieux comprendre la pertinence de ces sujets dans la cosmologie moderne, nous commençons la thèse par l’introduction du modèle standard de la cosmologie et de ses problèmes. Nous donnons une importance particulière aux modifications de la gravité, telles que la gravité massive, et aux trous noirs dans notre discussion sur le secteur sombre de l’Univers. / Doctorat en Sciences / info:eu-repo/semantics/nonPublished

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".