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Nonlocal cosmological models and tests of modified gravity with gravitational waves

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Defense Thèse de doctorat : Univ. Genève, 2020 - Sc. 5516 - 2020/11/26
Abstract Dans cette thèse, nous étudions deux sujets en gravité modifiée: les modifications infrarouges non locales de la Relativité Générale et les tests de gravité modifiée avec des sirènes standard à des distances cosmologiques. Dans le Chapitre 1 nous montrons comment construire des termes de masse pour le champ gravitationnel (en particulier pour le mode conforme du tenseur métrique) sans violer l’invariance par difféomorphismes. Ceci est possible grâce aux nonlocalités attendues dans la ‘quantum effective action’ pour une théorie fondamentale contenant des particules sans masse (comme les gravitons en Relativité Générale). Nous expliquons des aspects conceptuels dans l’étude des théories non locales, en soulignant que la non-localité n’a de sens qu’au niveau de la ‘quantum effective action’, tandis que l’action fondamentale d’une théorie doit être locale pour éviter des problèmes de causalité. Dans le Chapitre 2, nous montrons les conséquences cosmologiques du modèle non local RT, au niveau du ‘background’ et des perturbations scalaires. Construire un modèle qui remplit toutes les contraintes d’observation et donne des prédictions testables dans un proche avenir est en général très difficile. Il est donc remarquable que le modèle RT, qui est actuellement un modèle phénoménologique sans dérivation fondamentale, soit un modèle cosmologique réussi. Ses solutions cosmologiques montrent une expansion accélérée à l’époque actuelle, sans la nécessité d’une constante cosmologique. Donc un terme de masse pour le mode conforme peut fournir une source pour l’expansion accélérée de l’Univers. Les perturbations scalaires sont stables et restent petites pendant toute l’évolution cosmologique. Elles sont très proches de celles en LCDM; donc le modèle RT explique bien les données cosmologiques actuelles, tout en restant potentiellement reconnaissable dans le futur. Une analyse complète avec le Méthode de Monte-Carlo par chaînes de Markov(MCMC) montre que le modèle peut expliquer les données cosmologiques au même niveau que LCDM. Le modèle RT se réduit à la Relativité Générale à de petites distances, sans avoir besoin d’un mécanisme de ‘screening’ non linéaire et respecte la limite de variation temporelle de la constante de Newton du ‘Lunar Laser Ranging’. Il s’agit en général d’une propriété non triviale, même lorsque la solution statique a la limite correcte. Donc le modèle RT passe toutes les contraintes du système solaire et des expériences en laboratoire. La plus grosse surprise du modèle RT se produit lors de l’étude de la propagation des perturbations tensorielles. En effet, dans le modèle RT, les ondes gravitationnelles se comportent différemment que dans LCDM et peuvent conduire à de grandes déviations. Dans le Chapitre 3, nous expliquons en toute généralité la propagation modifiée des ondes gravitationnelles, et nous étudions en détail comment les générations actuelles et futures des détecteurs d’ondes gravitationnelles peuvent aider à tester les modèles de gravité modifiée. Cette propagation est un observable spécifique aux détecteurs d’ondes gravitationnelles et son effet est présent dans tous les théories de gravité modifiée étudiées les mieux motivées. Dans de nombreux modèles de gravité modifiée, la modification dans la propagation des ondes gravitationnelles est suffisamment important et les détecteurs futurs (LISA, Einstein Telescope, Cosmic Explorer) seront capables de la tester.
Identifiers
URN: urn:nbn:ch:unige-1498568
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Thesis (8.7 MB) - public document Free access
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Citation
(ISO format)
BELGACEM, Enis. Nonlocal cosmological models and tests of modified gravity with gravitational waves. Université de Genève. Thèse, 2020. doi: 10.13097/archive-ouverte/unige:149856 https://archive-ouverte.unige.ch/unige:149856

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Deposited on : 2021-03-01

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