Thèse Dynamique Gravitationnelle de Scénarios de Champ Scalaire pour la Matière Noire H/F Doctorat.Gouv.Fr

Établissement : Université Paris-Saclay GS Physique École doctorale : Physique en Ile de France Laboratoire de recherche : Institut de PHysique Théorique Direction de la thèse : Patrick VALAGEAS ORCID 0000000255403320 Début de la thèse : 2026-10-01 Date limite de candidature : 2026-10-11T23:59:59 Le sujet de cette thèse sera de développer des outils analytiques et numériques afin d'étudier des scénarios de matière noire ultralégère,
du point de vue de leur dynamique gravitationnelle.
Une première partie vise à étudier l'impact de halos de matière noire sur la dynamique des étoiles ou des trous noirs qui s'y trouvent, via
l'accrétion ou des forces de freinage (friction dynamique) dues à la matière noire environnante. Nous étudierons également comment de
tels effets pourraient être détectés, par exemple à travers la modification des formes d'onde des ondes gravitationnelles émises par des
systèmes binaires, ou par la relaxation de sous-systèmes galactiques. Jusqu'à présent, nous avons étudié le cas des trous noirs de
Schwarzschild (c'est-à-dire sans rotation) [1, 2]. Cependant, les trous noirs observés possèdent souvent un spin non négligeable (trous
noirs de Kerr) et nous généraliserons donc notre étude au cas des trous noirs en rotation. Nous améliorerons également notre approche
en tenant compte de l'auto-gravité du nuage de matière noire. Une fois le profil du halo de matière noire connu, nous calculerons le
freinage qu'il exerce sur le trou noir ainsi que son impact sur la dynamique de deux trous noirs lors de la phase spiralante à grande
distance. Nous obtiendrons ensuite la modification correspondante de la phase des ondes gravitationnelles émises par ce système
binaire ainsi que les contraintes que l'on pourra déduire sur la densité du halo de matière noire grâce aux futures détections de
LIGO/VIRGO et LISA.
Une seconde partie vise à étudier la formation des structures dans ces scénarios alternatifs de matière noire ainsi que la dynamique
subgalactique, en particulier la formation de lignes de vortex. Contrairement au modèle standard CDM, décrit par l'équation de Vlasov, le
champ scalaire de matière noire obéit, dans le régime non relativiste, à une équation de Schrödinger non linéaire. Cela conduit à
l'existence d'un équilibre hydrostatique (état fondamental), également appelé « soliton » ou « étoile bosonique » [3]. De plus, nous avons
récemment montré que la rotation du nuage de matière noire conduit à la formation de vortex, comme dans les superfluides étudiés en
laboratoire [4]. En prolongeant ces travaux antérieurs, nous étudierons plus en détail la formation de ces solitons et vortex ainsi que leur
relaxation à l'aide de simulations numériques et d'approches analytiques. En particulier, nous examinerons leur impact sur les baryons
(c'est-à-dire la matière lumineuse directement observable) et la relation entre ces lignes de vortex de matière noire et la toile cosmique.
La répartition du travail entre ces deux sous-thématiques sera adaptée en fonction des progrès réalisés et des opportunités. De nombreuses données et indications théoriques montrent que 80 % de la matière de l'Univers n'est pas constituée de particules
ordinaires, comme celles observées sur Terre, mais d'une substance inconnue appelée « matière noire ». Le scénario qui a principalement
retenu l'attention depuis les années 1980 est celui des particules massives faiblement interactives (WIMPs). Cependant, ces particules
n'ont pas encore été détectées, ce qui a ravivé l'intérêt pour des scénarios alternatifs [5], tels que les champs scalaires ou des particules
ultralégères comme les axions. Ces modèles reproduisent les succès du modèle standard CDM à grande échelle, mais présentent de
nouveaux comportements aux petites échelles. Cela pourrait résoudre certaines des tensions rencontrées par le modèle cosmologique
standard aux échelles subgalactiques. Ce sujet est actuellement en plein essor et, depuis huit ans, des simulations cosmologiques de
tels scénarios ont commencé à être développées.
Cette thèse établit donc un lien entre la théorie et les observations et s'inscrit pleinement dans l'actualité scientifique. L'utilisation des
ondes gravitationnelles pour contraindre la dynamique des systèmes binaires et de leur environnement est un domaine en plein
développement, à la suite des détections récentes par LIGO/Virgo et dans la perspective du futur interféromètre spatial européen LISA.
L'existence possible de vortex de matière noire dans les halos galactiques constitue également un phénomène nouveau qui mérite des
études approfondies. Identifier les caractéristiques spécifiques des scénarios de matière noire ultralégère qui peuvent être observées à travers leur dynamique
gravitationnelle, et déterminer comment elles permettent de contraindre ces modèles, en se concentrant sur leur impact sur la dynamique
des objets compacts et les signatures de lignes de vortex. Ce travail nécessitera des calculs analytiques (développements perturbatifs, raccordements asymptotiques) et des calculs numériques
(Fortran 90, Python, Mathematica, programmation parallèle Open-MP/MPI), ainsi que l'adaptation de codes cosmologiques.