Studying aspects of the early universe with primordial black holes

Étudiant aspects de l'univers primordial avec les trous noirs primordiaux Cette thèse sur articles est dédiée à l'étude des aspects de l'univers primordial par le biais des trous noirs primordiaux (TNP). Depuis que les TNP ont été initialement proposés dans les années 70, ils attirent de plus en plus l'intérêt de la communauté scientifique étant donné le fait que ces objets astrophysiques apportent un éclairage sur un grand nombre de problèmes de la cosmologie contemporaine et en parallèle peuvent donner accès à une grande variété de phénomènes physiques en fonction de de leur masse. En particulier, les TNP de petite masse peuvent donner accès à la physique de l'univers primordial comme la physique de l'inflation et du réchauffement tandis qu'avec les TNP de grande masse on peut explorer des phénomènes de la physique gravitationnelle comme la formation des structures de grande échelle et l'origine de la matière noire. Dans cette thèse, on rapelle tout d'abord les fondements de la cosmologie de l'univers primordial et les essentiels de la physique des TNP en couvrant à la fois des aspects théoriques et observationnelles. En particulier, on propose un raffinement des méthodes sur la détermination du seuil de formation des TNP, une quantité fondamentale dans le domaine de recherche des TNP, dans le contexte d'un paramètre d'équation d'état dépendant du temps. Ensuite, on se réfère brièvement à la théorie des perturbations inflationnaires, qui constitue le cadre théorique dans lequel les TNP sont étudiés dans cette thèse. Dans une deuxième partie, on présente la recherche effectuée au sein de mes études doctorales, dans laquelle des aspects de la physique de l'univers primordial se combinent avec la physique des ondes gravitationnelles. De plus, des facettes de l'effondrement gravitationnel des TNP en présence des anisotropies sont étudiées. Plus spécifiquement, on étudie les TNP produits de l'instabilité du préchauffement dans le contexte de la théorie de l'inflation avec un champ scalaire. En particulier, on trouve que les TNP produits pendant la période du préchauffement peuvent potentiellement dominer le contenu énergétique de l'univers et conduire au réchauffement de l'univers à travers leur évaporation. Ensuite, on se concentre sur le fond stochastique d'ondes gravitationnelles induites par perturbations scalaires à travers des effets gravitationnels de second ordre pendant une période cosmique avant l'époque de la nucléosynthèse du Big Bang, où des trous noirs primordiaux ultralégers constituent la composante principale du budget énergétique de l'univers. En demandant alors que ces ondes gravitationnelles induites ne se produisent pas en excès à la fin de la période de domination énergétique des TNP, on impose des contraintes indépedentes du modèle de production de TNP sur leur abondance au moment de leur formation en fonction de leur masse. Puis, on étudie d'une manière covariante l'effondrement gravitationnel sphérique et anisotropique des TNP se produisant pendant une époque cosmique dominée par la radiation. Enfin, on résume les résultats de notre recherche en discutant les perspectives qu'ouvre le travail effectué au sein du doctorat. En particulier, on met en exergue les contraintes potentielles sur les prédictions observationnelles du fond cosmologique à travers l'étude des TNP produits pendant la période du préchauffement au sein de la théorie d'inflation avec un champ scalaire. De plus, on souligne la detectabilité potentielle des TNP ultralégers par des futures expériences gravitationnelles comme LISA, Einstein Telescope et SKA.