Espace-temps globalement hyperboliques conformément plats

Globally hyperbolic conformally flat spacetimes

• Auteur / Autrice : Clara Rossi Salvemini
• Direction : Thierry Barbot
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mathématiques
• Date : Soutenance le 24/05/2012
• Etablissement(s) : Avignon
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale 536 « Sciences et agrosciences » (Avignon)
• Jury : Président / Présidente : Marie-Claude Arnaud
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Virginie Charette, Charles Frances
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Francesco Bonsante, Sorin Dumitrescu

Mots clés

Mots clés contrôlés

Espace-temps

Mots clés libres

Géométrie differentielle

Géométrie lorentzienne

GX-structures

Variété globalement hyperboliques

Géométrie conforme

Causalité

Espace-temps

Equation d’Einstein

Differential geometry

Lorentzian geometry

GX-structures on manifolds

Globally hyperbolic manifolds

Conformal geometry

Causality

Space-times

Einstein equation

Résumé

Les espace-temps conformément plats de dimension supérieure ou égal à 3 sont des variétés localement modelées l'espace-temps d'Einstein où il agit la composante connexe de l'identité du groupe des difféomorfismes conformes.Un espace-temps M est globalement hyperbolique s'il admet une hypersurface S de type espace qui est rencontrée une et une seule fois par toute courbe causale de M. L'hypersurface S est alors dite hypersurface de Cauchy de M.L'ensemble des espace-temps globalement hyperboliques conformément plats, identifiés à difféomorphisme conforme près, est naturellement muni d'une relation d'ordre partielle: on dit que N étends M s'il existe un plongement conforme de M dans N tel que l'image de toute hypersurface de Cauchy de M est une hypersurface de Cauchy de N. Les éléments maximaux par rapport à cette relation d'ordre sont appelés espace-temps maximaux.Le premier résultat qu'on a prouvé est l'existence et unicité de l'extension maximale pour un espace-temps conformément plat globalement hyperbolique donné. Ce résultat généralise un théorème de Choquet-Bruhat et Geroch relatif aux espace-temps solutions des équation d'Einstein.L'unicité de l'extension maximale permet de prouver le résultat suivant:Théorème:En dimension supérieur ou égal à 3, l'espace d'Einstein est le seul espace-temps conformément plat maximal simplement connexe admettant une hypersurface de Cauchy compacte.Si l'hypersurface de Cauchy S du revêtement universel d'un espace-temps M est compacte on obtient donc que M est un quotient fini de l'espace d'Einstein. La structure des géodésiques de l'espace d'Einstein et l'unicité de l'extension maximale permettent de prouver :Théorème:Soit M un espace-temps conformément plat maximal de dimension supérieur ou égal à 3, qui contient deux géodésiques lumières distinctes, librement homotopes et ayant les mêmes extrémités. Alors M est un quotient fini de l'espace d'Einstein.Dans le cas où l'hypersurface S' du revêtement universel M' de M est non compacte on montre chaque point p de M' est déterminé par le compact de S 'constitué par l'intersection de son passé causal ou de son futur causal avec l'hypersurface S', suivant que p appartient au passé ou au futur de S'. Onappelle ce compact l'ombre de p sur S'. L'espace-temps M' s'identifie donc à un sous-ensemble des compacts de S'.Ce point de vue permet d'avoir une compréhension plus profonde de la maximalité d'un espace-temps. En fait on a différentes notions de maximalité :un espace-temps pourrait être maximal parmi les espace-temps conformément plats mais avoir un majorant qui n'est pas conformément plat, i.e. il pourrait exister un plongement conforme dans un espace-temps globalement hyperbolique qui ne soit pas conformément plat.Grâce à la notion d'ombre, on prouve que la structure causale induite sur la frontière de Penrose du revêtement universel d'un espace-temps conformément plat permet de caractériser les espace-temps maximaux parmi tous les espace-temps globalement hyperboliques, on obtient:Théorème:Tout espace-temps globalement hyperbolique conformément plat M qui est maximal parmi les espace-temps globalement hyperbolique conformément plats est aussi maximal parmi tous les espace-temps globalement hyperboliques.On conclut avec une discussion détaillée sur la maximalité des espaces-temps globalement hyperboliques maximaux parmi les espace-temps à courbure constante, suivant le signe de la courbure: lorsque la courbure est négative ou nulle, l'espace-temps est maximal aussi parmi tous les espace-temps globalement hyperboliques, mais cela n'est jamais vrai lorsque la courbure est strictement positive

As a consequence of the Lorentzian version of Liouville’s Theorem, everyconformally flat space-time of dimension 3 is a (Ein1,n,O0(2, n + 1))-manifold. The Einstein’s space-time Ein1,n is the space Sn × S1 with theconformal class of the metric d2−dt2, where d2 and dt2 are the canonicalRiemannian metrics of Sn and R. The group O0(2, n+1) is the group of theconformal diffeomorphisms of Ein1,n whose action preserve the orientationand the time-orientation of Ein1,n. A space-time M is globally hyperbolicif it contains a spacelike hypersurface which intersects every inextensiblecausal curve of M exactly in one point. As a consequence M is not compact.The hypersurface is called a Cauchy hypersurface of M. Geroch’s Theorem([?]) say that if M is globally hyperbolic, then M is homeomorphic to×R. There is a naturally defined partial order on the set of globally hyperbolicspace-times (up to conformal diffeomorphism) : M M0 if does existsa conformal embedding f : M ,! M0 which sends Cauchy hypersurfaces ofM to Cauchy hypersurfaces of M0 (f is called a Cauchy-embedding ). Wecall C-maximal space-times the maximal elements for this partial order onthe set of globally hyperbolic space-times. We can restrict the partial orderto the subset of conformally flat space-times : in this case we call themaximal elements C0-maximal space-times. The first result of the thesis isa generalization of a Theorem proved by Choquet-Bruhat and Geroch in[?] : let M be a globally hyperbolic conformally flat space-time. Then thereis a globally hyperbolic conformally flat C0-maximal space-time N and aCauchy-embedding f : M ,! N. The space-time N is unique up to conformaldiffeomorphisms.The uniqueness of the C0-maximal extension imply that every globally hyperbolicconformally flat simply connected C0-maximal space-time (of dimension3) with a compact Cauchy hypersurface is conformally diffeomorphicto gEin1,n.In the second part of the thesis we study the injectivity of the developingmap of a globally hyperbolic conformally flat space-time M looking at theshape of its the causal boundary.We say that two points p, q are conjugatedin a space-time M if there are two different lightlike geodesics and whichstart at p and meet at q, such that and don’t intersect between p and q.The most remarkable result of this part is : let M a globally hyperbolicconformally flat C0-maximal space-time. If fM has two conjugated pointsthen fM ' gEin1,n. In particular M is a finite quotient of gEin1,n.As a consequence of this result we obtain that the developing map of Mrestricted to the chronological past and future of every point is injective.In the last part of the thesis we give an abstract construction of the Cmaximalextension for a given conformally flat globally hyperbolic spacetime.The idea is that a globally hyperbolic space-time is completely determinedby one of his Cauchy hypersurfaces. This result helps to understandhow to relate the different notions of maximality. In particular we provethat every conformally flat globally hyperbolic space-time M which is C0-maximal is also C-maximal.