Les Trous noirs dans la théorie des cordes : guides vers la gravité quantique

Black holes in string theory : guides to quantum gravity

• Auteur / Autrice : Andrea Puhm
• Direction : Iosif Bena
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique Théorique
• Date : Soutenance en 2013
• Etablissement(s) : Paris 6

Mots clés

Mots clés contrôlés

Trous noirs (astronomie)

Théorie des cordes

Supergravité

Résumé

Dans cette thèse, nous étudions les trous noirs et leurs propriétés microscopiques dans les extensions de la relativité générale qui se posent en tant que limites à basse énergie de la théorie des cordes. La première question que nous allons traiter est de savoir comment les trous noirs libèrent l'information lors de l'évaporation. Nous utilisons des techniques de l'information quantique et étudions la libération de l'information de systèmes qubits. Nous présentons ensuite un modèle de cadre général pour capturer le processus d'évaporation Hawking et déduisons les contraintes sur l'évolution dictés par la condition de l'unitarité. Cela rend la conclusion de perte d'information dans le processus d'évaporation des trous noirs plus précise et soutient la thèse selon laquelle l'horizon doit être remplacé par une structure, ainsi appelé fuzzball, qui transporte des informations sur les micro-états des trous noirs. Cela pose immédiatement la question de ce qu'est cette structure à échelle d'horizon? Nous poursuivons cette question dans le contexte de Supergravity. Nous construisons systématiquement une famille de micro-états des trous noirs non-extrémaux en plaçant des supertubes métastables dans certaines géométries supersymétriques qui sont complètement lisses et possède la propriété `scaling'. Ces fuzzballs non-extrémaux diffèrent de la solution du trou noir classique à l'échelle macroscopique de l'horizon, et pour certaines sondes les fluctuations entre les différents fuzzballs seront visibles que le bruit thermique loin de l'horizon. Si l'horizon du trou noir est remplacé par une structure à échelle de l'horizon on peut se demander ce que l'expérience d'un observateur tombant dans une telle structure est? Un récent Gedankenexperiment très controversé suggère qu'un tel observateur brûlera dans un `firewall' à l'horizon. Nous reformulons ce Gedankenexperiment dans le langage de la décohérence de la mécanique quantique et étudions le sort d'un paquet d'ondes tombant dans un trou noir. Alors que des paquets d'ondes de la taille de quanta de Hawking sortant du trou noir ne peuvent en effet pas tomber librement à travers la structure à l'échelle de l'horizon, il y a la possibilité que l'expérience des observateurs macroscopiques interagissement fortement avec la structure peut avoir une autre description de chute libre à travers l'horizon d'un trou noir. Nous discutons en détail cette image de complémentarité de fuzzball, récemment proposée, et la testons en utilisant nos micro-états non-extrémaux nouvellement construits. Leur construction utilise des solutions multi-centres supersymétriques. Lorsque les sondes membranaires sont placées dans ces géométries d'une façon supersymétrique ils capturent les mêmes informations que la solution de Supergravité - ceci est une caractéristique clé des solutions multi-centres supersymétriques. Nous examinons si cette propriété de non-renormalisation s'applique aussi bien pour des solutions extremaux `almost-BPS' où la supersymétrie est brisée de manière contrôlable. Nous constatons que malgré l'absence de supersymétrie, l'action de la sonde reproduit exactement les équations qui sous-tendent la solution de Supergravité en indiquant que ces équations ne reçoivent pas de corrections quantiques.

In this Thesis, we study black holes and their microscopic properties in extensions of General Relativity that arise as low-energy limits of String Theory. The first question we want to address is how information is released from black holes during evaporation. We make use of quantum information techniques and study information release from qubit systems. We then introduce a general framework to capture the Hawking evaporation process and deduce the constraints unitarity puts on the evolution. This makes the statement of information loss in black hole evaporation more precise and supports the claim that the horizon has to be replaced by a structure, or mph{fuzzball}, that carries information about the black hole microstates. This immediately raises the question of what this horizon-scale structure is? We address this question in the context of Supergravity. We systematically construct a family of microstates of near-extremal black holes, by placing metastable supertubes inside certain scaling supersymmetric smooth microstate geometries. These non-extremal fuzzballs differ from the classical black hole solution macroscopically at the horizon scale, and for certain probes the fluctuations between various fuzzballs will be visible as thermal noise far away from the horizon. If the black hole horizon is replaced by a horizon-scale structure one can ask what the experience of an observer falling into such a structure is? A recent, much debated, Gedankenexperiment suggests that an infalling observer will burn at a firewall at the horizon. We rephrase this Gedankenexperiment in the decoherence picture of quantum mechanics and ask about the fate of an infalling wave packet. While wave packets of the size of outgoing Hawking quanta can indeed not freely fall through the horizon-scale structure there is a possibility that the experience of macroscopic infalling observers that strongly interact with the structure can have an alternate description of free fall through the horizon of a black hole. We discuss this recently proposed picture of fuzzball complementarity in detail and test it using our newly constructed near-extremal microstates. A key feature of supersymmetric multi-center solutions, used to construct these near-extremal microstates, is that when brane probes are placed in this background in a supersymmetric way they capture the same information as the fully backreacted Supergravity solution. We investigate whether this non-renormalization property also holds for extremal `almost-BPS' solutions where supersymmetry is broken in a controllable way. We find that despite the lack of supersymmetry, the probe action reproduces exactly the equations underlying the fully back-reacted solution indicating that these equations also do not receive quantum corrections.