Testing gravity with the two-body problem

Tester la gravité avec le problème à deux corps

Adrien Kuntz (1, 2)

1 CPT - Centre de Physique Théorique - UMR 7332
2 CPT - E3 Cosmologie

Gravitational waves provide a new probe into the strong-field regime of gravity. It is thus essential to identify the predictions of General Relativity on the nature of the two-body problem, and to contrast them to alternative theories. This thesis aims at comparing the predictions of General Relativity and scalar-tensor theories on gravitational observables using Effective Field Theory techniques. In a first part, we show how simple scalar-tensor theories can be embedded in the Non-Relativistic General Relativity approach to the two-body problem and highlight their essential features. Furthermore, we study the effects of a disformal coupling of the scalar on the two-body dynamics and introduce a resummation technique. This new Non-Relativistic Scalar-Tensor formalism will provide a basis for the study of the Vainshtein mechanism in two-body configurations which is at the core of the second part of this thesis. Finally, in a last part we devise an Effective Field Theory formalism adapted to gravitational wave generation in theories featuring scalar hair, in the extreme mass ratio regime.

Les ondes gravitationnelles sont une nouvelle sonde pour le régime de champ fort de la gravité. Il est donc essentiel d’identifier les prédictions de la Relativité Générale sur la nature du problème à deux corps et de les contraster à des théories alternatives. Cette thèse se propose de comparer les prédictions de la Relativité Générale et des théories tenseur-scalaires sur les observables gravitationnelles en utilisant des techniques de théories effectives des champs. Dans une première partie, on montrera comment de simples théories tenseur-scalaire peuvent être intégrées dans l’approche "Relativité Générale Non Relativiste" du problème à deux corps, et on soulignera leurs propriétés essentielles. De plus, l’effet d’un couplage disforme du scalaire sur la dynamique à deux corps sera étudié et une technique de resommation sera introduite. Ce nouveau formalisme "Tenseur- Scalaire Non Relativiste" formera les bases de l’étude du mécanisme de Vainshtein dans le cadre du problème à deux corps qui est au coeur de la seconde partie de cette thèse. Enfin, dans une dernière partie on introduira une nouvelle théorie effective des champs adaptée à l’étude de la génération d’ondes gravitationnelles dans les théories prédisant des "cheveux scalaires" autour de trous noirs, dans l’approximation d’un rapport de masse extrême.

Mots clés: Effective Field Theory; Two body problem

Mots clés: Théorie effective des champs; Problème à deux corps

Domaines: Cosmologie et astrophysique extra-galactique [astro-ph.CO]; Physique Générale [physics.gen-ph]; Relativité Générale et Cosmologie Quantique [gr-qc]

Adrien Kuntz. Testing gravity with the two-body problem. Cosmology and Extra-Galactic Astrophysics [astro-ph.CO]. Aix-Marseille Université (AMU), 2020. English. ⟨NNT : ⟩. ⟨tel-03597343⟩