Contraindre ou observer la structuration de la matière noire aux petites échelles par astrométrie ou par bruitage d’un réseau de pulsars – Université de Montpellier

Description

La nature de la matière noire cosmologique reste un mystère. Elle pourrait être composée de particules exotiques hors modèle standard des particules élémentaires (axions, WIMPs, etc.), voire même de trous noirs primordiaux. Cependant, ces différents scénarios se traduisent généralement par des propriétés de structuration aux petites échelles différentes, ce qui pourrait permettre soit de les identifier, soit de les exclure. Les caractéristiques des plus petites structures de matière noire possiblement formées dépendent à la fois de la nature de la matière noire et du spectre des fluctuations primordiales dont l’origine supposée repose sur l’inflation cosmique (acception moderne du big bang, ou de ses phases précoces). Elles peuvent être plus ou moins compactes, avec des masses potentiellement aussi faibles que celles d’astéroïdes (distribuées sur des volumes plus ou moins grands). Ces structures auto-gravitantes seraient de fait des objets massifs mais n’émettant aucune lumière. Ces corps peuplant théoriquement les galaxies pourraient être à l’origine de perturbations dans les positions et vitesses des astres galactiques (étoiles, planètes, …, pulsars), et être à l’origine d’événements de microlentilles gravitationnelles par transit entre ces astres et l’observateur. Les moyens modernes que représentent l’astrométrie de précision (satellite Gaia) et la mesure à haute précision du ‘temps céleste’ via des réseaux de pulsars (ePTA, Nanograv, etc.) ouvrent une fenêtre inédite sur la recherche de ces structures de matière noire aux petites échelles. Cette thèse a pour objet d’étudier la capacité de ces moyens modernes à observer, voire à exclure l’existence de ces structures, et donc de nous renseigner à la fois sur l’origine et la nature de la matière noire, ainsi que sur les propriétés des fluctuations primordiales aux petites échelles. Ce sujet se situe à l’interface de la cosmologie, de la physique des astroparticules, et de la dynamique gravitationnelle. Il conviendra en effet de relier les scénarios de matière noire et d’inflation aux propriétés macroscopiques des structures de matière noire aux plus petites échelles, et de déterminer leurs effets individuels ou collectifs sur les observables mentionnées ci-dessus. Il s’agit d’un travail théorique exploratoire, où le calcul analytique et numérique sera l’outil principal. Il conviendra d’avoir un fort appétit pour la compréhension, voire l’élaboration, de modèles théoriques et leur confrontation aux observations.

Compétences requises

Formation de haut niveau en physique théorique (hautes énergies, cosmologie, gravitation) Aisance dans le calcul analytique et semi-analytique Travail encadré en autonomie Capacité à rendre compte des résultats obtenus (écrit et oral) Persévérance et confiance

Bibliographie

https://theses.fr/2021MONTS037
https://inspirehep.net/literature/1666374
https://inspirehep.net/literature/1837141

Mots clés

Matière noire, cosmologie, astroparticules, dynamique grativationnelle, relativité générale, formation des structures