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We prove in a simple and coordinate-free way the equivalence between the classical definitions of the mass or of the center of mass of an asymptotically flat manifold and their alternative definitions depending on the Ricci tensor and conformal Killing fields. This enables us to prove an analogous statement in the asymptotically hyperbolic case.

This note computes the "renormalized volume" and a renormalizedGauss-Bonnet-Chern formula for the Euler characteristic ofasymptotically complex hyperbolic Einstein (in short: ACHE)4-manifolds., Comment: revised version ; reference to math.DG/0404455 added

International audience; Nous démontrons que toute métrique d'Einstein asymptotiquement hyperbolique réelle ou complexe possède un développement polyhomogène au voisinage de son bord à l'infini. La preuve s'étend également au cas dit local, c'est-à-dire quand le bord à l'infini est un ouvert de R^n . Ces résultats sont nouveaux en hyperbolique réel dans le cas local en dimension impaire et en hyperbolique complexe dans tous les cas.

In this paper we prove the Spinc analog of the Hijazi inequality on the first eigenvalue of the Dirac operator on compact Riemannian manifolds and study its equality case. During this study, we are naturally led to consider generalized Killing spinors on Spinc manifolds and we prove that such objects can only exist on low-dimensional manifolds (up to dimension three). This allows us to give a nice geometrical description of the manifolds satisfying the equality case of the above-mentioned inequality and to classify them in dimension three and four.

An argument in our paper The Huber theorem for non-compact conformally flat manifolds [Comment. Math. Helv. 77 (2002), 192?220] was not justified. Using recent work by G. Tian and J. Viaclovsky, we show that our result holds true

International audience

We present a rigorous proof of the positive mass theorem for black holes. Accordingly, in a four-dimensional Lorentz manifold satisfying the dominant energy condition, the mass of a three-dimensional asymptotically flat slice with boundary composed of a finite number of future or past trapped closed 2-surfaces is nonnegative. The proof uses the classical Witten argument and is valid even if only rather weak asymptotic conditions are imposed.

International audience

In this paper, we develop a general study of contributions at infinity of Bochner-Weitzenb\"ock-type formulas on asymptotically flat manifolds, inspired by Witten's proof of the positive mass theorem. As an application, we show that similar proofs can be obtained in a much more general setting as any choice of an irreducible natural bundle and a very large choice of first-order operators may lead to a positive mass theorem along the same lines if the necessary curvature conditions are satisfied., Comment: Communications in Mathematical Physics, Springer Verlag, 2016, to appear

We prove an optimal Penrose-like inequality for the mass of any asymptotically flat Riemannian 3-manifold having an inner minimal 2-sphere and nonnegative scalar curvature. Our result shows that the mass is bounded from below by an expression involving the area of the minimal sphere (as in the original Penrose conjecture) and some nomalized Sobolev ratio. As expected, the equality case is achieved if and only if the metric is that of a standard spacelike slice in the Schwarzschild space.

Le theme de cet article est la recherche de compactifications conformes compactes et suffisamment regulieres de varietes riemanniennes asymptotiquement plates: une telle compactification existe si les tenseurs de Weyl et de Cotton-York decroissent a l'infini plus vite que r -4 et r -5 . Nous etudions egalement le cas critique ou ces tenseurs ont exactement la decroissance citee.

International audience; We give a simple characterization of the parabolic geodesics introduced by Cap, Slovak and Zadnik for all parabolic geometries. This goes through the definition of a natural connection on the space of Weyl structures. We then show that parabolic geodesics can be characterized as the following data: a curve on the manifold and a Weyl structure along the curve, so that the curve is a geodesic for its companion Weyl structure and the Weyl structure is parallel along the curve and in the direction of the tangent vector of the curve.

L'ouvrage s’adresse a tout lecteur curieux de decouvrir une presentation precise, mais sans exces de theorie, des concepts mathematiques indispensables a la modelisation des phenomenes naturels. La premiere partie est consacree a l’etude des fonctions (a une ou plusieurs variables), au calcul des probabilites et aux liens entre probabilites et statistique. La deuxieme traite de themes statistiques plus elabores (estimations, tests d’hypotheses, regression). Enfin, la troisieme partie est dediee aux equations differentielles et a l’algebre lineaire. Chaque chapitre insiste sur la necessite de savoir modeliser, comprendre et appliquer. De nombreux exercices (avec solutions) permettent de completer l’expose et d’ouvrir vers davantage d’applications.

International audience

Unique continuation results are proved for metrics with prescribed Ricci curvature in the setting of bounded metrics on compact manifolds with boundary, and in the setting of complete, conformally compact metrics. Related to this issue, an isometry extension property is proved: continuous groups of isometries at conformal infinity extend into the bulk of any complete conformally compact Einstein metric. Relations of this property with the invariance of the Gauss-Codazzi constraint equations under deformations are also discussed., 32 pages, supercedes math.DG/0501067; final published version

We give a differential geometric description of the Cartan (or tractor) bundle and its canonical connection in CR geometry, thus offering a direct, alternative, definition to the usual abstract approach., minor changes ; wrong author in reference [7] corrected

We define a renormalized characteristic class for Einstein asymptotically complex hyperbolic (ACHE) manifolds of dimension 4: for any such manifold, the polynomial in the curvature associated to the characteristic class euler-3signature is shown to converge. This extends a work of Burns and Epstein in the Kahler-Einstein case. This extends a work of Burns and Epstein in the Kahler-Einstein case. We also define a new global invariant for any 3-dimensional pseudoconvex CR manifold, by a renormalization procedure of the eta invariant of a sequence of metrics which approximate the CR structure. Finally, we get a formula relating the renormalized characteristic class to the topological number euler-3signature and the invariant of the CR structure arising at infinity., Lemma 2.6 changed because of a mistake. Section 5 (using lemma 2.6) rewritten

International audience; We relate a recently introduced non-local geometric invariant of compact strictly pseudoconvex Cauchy-Riemann (CR) manifolds of dimension 3 to various eta-invariants in CR geometry: on the one hand a renormalized eta-invariant appearing when considering a sequence of metrics converging to the CR structure by expanding the size of the Reeb field; on the other hand the eta-invariant of the middle degree operator of the contact complex. We then provide explicit computations for a class of examples: transverse circle invariant CR structures on Seifert manifolds. Applications are given to the problem of filling a CR manifold by a complex hyperbolic manifold, and more generally by a Kahler-Einstein or an Einstein metric.

We show that complete conformally flat manifolds of dimension n>2 with nonnegative Ricci curvature enjoy nice rigidity properties: they are either flat, or locally isometric to a product of a sphere and a line, or are globally conformally equivalent to flat space or to a spherical spaceform. This extends previous works by Q.-M. Cheng, M.H. Noronha, B.-L. Chen and X.-P. Zhu, and S. Zhu., revised version, added reference to previous paper by S. Zhu on the same subject

We prove that the round metric on the sphere has the largest first eigenvalue of the Dirac operator among all metrics that are larger than it. As a corollary, this gives an alternative proof of an extremality result for scalar curvature due to M. Llarull., Comment: to appear in G.A.F.A

It was proved in 1957 by Huber that any complete surface with integrable Gauss curvature is conformally equivalent to a compact surface with a finite number of points removed. Counterexamples show that the curvature assumption must necessarily be strengthened in order to get an analogous conclusion in higher dimensions. We show in this paper that any non compact Riemannian manifold with finite $ L^{n/2} $ -norm of the Ricci curvature satisfies Huber-type conclusions if either it is a conformal domain with volume growth controlled from above in a compact Riemannian manifold or if it is conformally flat of dimension 4 and a natural Sobolev inequality together with a mild scalar curvature decay assumption hold. We also get partial results in other dimensions.

International audience

We present a set of global invariants, called "mass integrals", which can be defined for a large class of asymptotically hyperbolic Riemannian manifolds. When the "boundary at infinity" has spherical topology one single invariant is obtained, called the mass; we show positivity thereof. We apply the definition to conformally compactifiable manifolds, and show that the mass is completion-independent. We also prove the result, closely related to the problem at hand, that conformal completions of conformally compactifiable manifolds are unique., Comment: 27 pages, Latex2e with several style files; various misprints corrected, positivity theorem for black holes considerably strengthened, to appear in Pacific Jour. of Mathematics

We study the Ricci curvature of a Riemannian metric as a differential operator acting on the space of metrics close (in a weighted functional spaces topology) to the standard metric of a rank-one noncompact symmetric space. We prove that any symmetric bilinear field close enough to the standard may be realized as the Ricci curvature of a unique close metric if its decay rate at infinity (its weight) belongs to some precisely known interval. We also study what happens if the decay rate is too small or too large.

International audience

Cauchy-Riemann geometry, CR for short, is the natural geometry of real pseudoconvex hypersurfaces of C^{n+1} for n≥1. We consider the generic case when CR manifolds are contact manifolds. CR geometry presents strong analogies with conformal geometry; hence, known invariants and techniques of conformal geometry can be transported to that context. We focus in this thesis on two such invariants. In a first part, using asymptotically complex hyperbolic geometry, we introduce a CR covariant differential operator on maps from a CR manifold to a Riemannian manifold, which coincides on functions with the CR Paneitz operator. In a second part, we propose a Yamabe invariant for contact manifolds which admit a CR structure, and we study its behaviour under connected sum.; La géométrie de Cauchy-Riemann, CR en abrégé, est la géométrie naturelle des hypersurfaces réelles pseudoconvexes de C^{n+1}, lorsque n≥1. Nous considérons le cas générique où les variétés CR considérées sont de contact. La géométrie CR présente de nombreuses similarités avec la géométrie conforme ; les invariants mis au jour et les techniques éprouvées en géométrie conforme peuvent donc être adaptées dans ce contexte. Nous nous intéressons dans cette thèse à deux invariants de ce type. Dans une première partie, en utilisant la géométrie asymptotiquement hyperbolique complexe, nous introduisons un opérateur différentiel CR covariant agissant sur les applications allant d'une variété CR vers une variété riemannienne, égal pour les fonctions à l'opérateur de Paneitz CR. Dans une seconde partie, nous proposons un invariant de Yamabe pour les variétés de contact admettant une structure CR, et nous étudions son comportement sous somme connexe.

Cauchy-Riemann geometry, CR for short, is the natural geometry of real pseudoconvex hypersurfaces of C^{n+1} for n≥1. We consider the generic case when CR manifolds are contact manifolds. CR geometry presents strong analogies with conformal geometry; hence, known invariants and techniques of conformal geometry can be transported to that context. We focus in this thesis on two such invariants. In a first part, using asymptotically complex hyperbolic geometry, we introduce a CR covariant differential operator on maps from a CR manifold to a Riemannian manifold, which coincides on functions with the CR Paneitz operator. In a second part, we propose a Yamabe invariant for contact manifolds which admit a CR structure, and we study its behaviour under connected sum.; La géométrie de Cauchy-Riemann, CR en abrégé, est la géométrie naturelle des hypersurfaces réelles pseudoconvexes de C^{n+1}, lorsque n≥1. Nous considérons le cas générique où les variétés CR considérées sont de contact. La géométrie CR présente de nombreuses similarités avec la géométrie conforme ; les invariants mis au jour et les techniques éprouvées en géométrie conforme peuvent donc être adaptées dans ce contexte. Nous nous intéressons dans cette thèse à deux invariants de ce type. Dans une première partie, en utilisant la géométrie asymptotiquement hyperbolique complexe, nous introduisons un opérateur différentiel CR covariant agissant sur les applications allant d'une variété CR vers une variété riemannienne, égal pour les fonctions à l'opérateur de Paneitz CR. Dans une seconde partie, nous proposons un invariant de Yamabe pour les variétés de contact admettant une structure CR, et nous étudions son comportement sous somme connexe.

General relativity is a gravitational theory born a century ago, in which the universe is a 4-dimensional Lorentzian manifold (N,gamma) called spacetime and satisfying Einstein's field equations. When we separate the time dimension from the three spatial ones, constraint equations naturally follow on from the 3+1 décomposition of Einstein's equations. Constraint equations constitute a necessary condition,as well as sufficient, to consider the spacetime N as the time evolution of a Riemannian hypersurface (m,g) embeded into N with the second fundamental form K. (m,g,K) is then an element of C, the set of initial data solutions to the constraint equations. In this work, we use Robert Bartnik's method to provide a Hilbert submanifold structure on C for weakly asymptotically hyperbolic initial data, whose regularity can be related to the bounded L^{2} curvature conjecture. Difficulties arising from the weakly AH case led us to introduce two second order differential operators and we obtain Poincaré and Korn-type estimates for them. Once the Hilbert structure is properly described, we define a mass functional smooth on the submanifold C and compatible with our weak regularity assumptions. The geometrical invariance of the mass is studied and proven, only up to a weak regularity conjecture about coordinate changes near infinity. Finally, we make a correspondance between critical points of the mass and static metrics.; La relativité générale est une théorie physique de la gravitation élaborée il y a un siècle, dans laquelle l'univers est modélisé par une variété Lorentzienne (N,gamma) de dimension 4 appelée espace-temps et vérifiant les équations d'Einstein. Lorsque l'on sépare la dimension temporelle des trois dimensions spatiales, les équations de contrainte découlent naturellement de la décomposition 3+1 des équations d'Einstein. Elles constituent une condition nécessaire et suffisante pour pouvoir considérer l'espace-temps N comme l'évolution temporelle d'une hypersurface Riemannienne (m,g) plongée dans N avec une seconde forme fondamentale K. Le triplet (m,g,K) constitue alors une donnée initiale solution des équations de contrainte dont on note C l'ensemble. Dans cette thèse, nous utilisons la méthode de Robert Bartnik pour établir la structure de sous-variété de Hilbert de C pour des données initiales faiblement asymptotiquement hyperboliques, dont la régularité peut être reliée à la conjecture de courbure L^{2} bornée. Les difficultés inhérentes au cas faiblement AH ont nécessité l'introduction de deux opérateurs différentiels d'ordre deux et l'obtention d'estimées de type Poincaré et Korn pour ces opérateurs. Une fois la structure de Hilbert obtenue, nous définissons une fonctionnelle masse lisse sur la sous-variété C et compatible avec nos conditions de faible régularité. L'invariance géométrique de la masse est étudiée et montrée, modulo une conjecture en faible régularité relative au changement de cartes au voisinage de l'infini. Enfin, nous faisons le lien entre les points critiques de la masse et les métriques statiques.

In this thesis we give an overview of the volume entropy rigidity problem. A conjecture by Gromov and Katok states that, on a locally symmetric space (M; g0), the symmetric metric g0 has minimal volume entropy among metrices with the same total volume. The text is self-contained, assuming a basic knowledge in differential geometry. Therefore we discuss in the first chapter some background material used in the sequel. The case of compact quotients of H2 _ H2 was unknown before this work ; we give a fully detailled proof. The key-point is to build a calibrating form as in [BCG95]. As a by-product, we present some applications provided by the proof of the volume entropy rigidity conjecture. We conclude by an informal section explaining the motivations of the problem to a non-mathematical reader.; Nous donnons dans cette thèse une preuve du problème de l’entropie volumique minimale dans les quotients compacts de H2_H2. Une conjecture de Gromov et Katok prétend en effet que, sur un espace localement symétrique (M; g0), la métrique de plus petite entropie volumique parmi les métriques de volume fixé est la métrique g0. Le texte se veut relativement abordable. C’est pourquoi nous avons intégré un premier chapitre qui contient une bonne partie du matériel qui sera utilisé par la suite. Puis nous passons en revue les preuves des différents cas du problème déjà traités. Le cas des quotients compacts de H2_H2 n’était pas connu avant ce travail ; nous en détaillons minutieusement la preuve. Notre démarche consiste à faire fonctionner la méthode de calibration imaginée dans [BCG95]. Nous présentons aussi les principales applications qui découlent de la preuve de la conjecture de Gromov et Katok. Nous concluons par une discussion heuristique qui explique les enjeux du problème que nous étudions.

The aim of this thesis is the mathematical study of families of spacetimes satisfying the Einstein's equations of General Relativity. Two methods are used in this context. The first part, consisting of the first three chapters of this work, investigates the geometric properties of the Emparan-Reall and Pomeransky-Senkov families of 5-dimensional spacetimes. We show that they contain a black-hole region, whose event horizon has non-spherical compact cross sections. We construct an analytic extension, and show its maximality and its uniqueness within a natural class in the Emparan-Reall case. We further establish the Carter-Penrose diagram for these extensions, and analyse the structure of the ergosurface of the Pomeransky-Senkov spacetimes. The second part focuses on the study of initial data, solutions of the constraint equations induced by the Einstein's equations. We perform a gluing construction between a given family of inital data sets and initial data of Kerr-Kottler-de Sitter spacetimes, using Corvino's method. On the other hand, we construct 3-dimensional asymptotically hyperbolic metrics which satisfy all the assumptions of the positive mass theorem but the completeness, and which display an energy-momentum vector of arbitry causal type.; L'objet de cette thèse est l'étude mathématique de familles d'espaces-temps satisfaisant aux équations d'Einstein de la Relativité Générale. Deux approches sont considérées pour cette étude. La première partie, composée des trois premiers chapitres, examine les propriétés géométriques des espaces-temps d'Emparan-Reall et de Pomeransky-Senkov, de dimension 5. Nous montrons qu'ils contiennent un trou noir, dont l'horizon des événements est à sections compactes non-homéomorphes à la sphère. Nous en construisons une extension analytique, et prouvons que cette extension est maximale, et unique dans une certaine classe d'extensions pour les espaces-temps d'Emparan-Reall. Nous établissons ensuite le diagramme de Carter-Penrose de ces extensions, puis analysons la structure de l'ergosurface des espaces-temps de Pomeransky- Senkov. La deuxième partie est consacrée à l'étude de données initiales, solutions des équations des contraintes, induites par les équations d'Einstein. Nous effectuons un recollement d'une classe de données initiales avec des données initiales d'espaces-temps de Kerr-Kottler-de Sitter, en utilisant la méthode de Corvino. Nous construisons, d'autre part, des métriques asymptotiquement hyperboliques en dimension 3, satisfaisant les hypothèses du théorème de masse positive à l'exception de la complétude, et ayant un vecteur moment-énergie de genre causal arbitraire.