Attractors in spacetimes and time functions

We develop a new approach to the existence of time functions on Lorentzian manifolds, based on Conley's work regarding Lyapunov functions for dynamical systems. We recover Hawking's result that a stably causal admits a time function through a more general result giving the existence of a continuous function that is non decreasing along all future directed causal curves, and increasing along such curves that lie outside a special region of the spacetime, called the chain recurrent set, which is empty for stably causal spacetimes. The construction is based on a notion of attractive sets in spacetimes.Comment: 26 pages, 2 figure

Convergence groups and semi conjugacy

We study a simple problem that arises from the study of Lorentz surfaces and Anosov flows. For a non decreasing map of degree one $h:\mathbb{S}^1\to \mathbb{S}^1$, we are interested in groups of circle diffeomorphisms that act on the complement of the graph of $h$ in $\mathbb{S}^1\times \mathbb{S}^1$ by preserving a volume form. We show that such groups are semi conjugate to subgroups of $\mathrm{PSL}(2,\mathbb{R})$, and that when $h\in \mathrm{Homeo}(\mathbb{S}^1)$, we have a topological conjugacy. We also construct examples, where $h$ is not continuous, for which there is no such conjugacy.Comment: 27 pages, 7 figures. arXiv admin note: text overlap with arXiv:1402.042

Regularity of limit sets of AdS quasi-Fuchsian groups

Limit sets of $\mathrm{AdS}$-quasi-Fuchsian groups of $\mathrm{PO}(n,2)$ are always Lipschitz submanifolds. The aim of this article is to show that they are never $\mathcal{C}^1$, except for the case of Fuchsian groups. As a byproduct we show that $\mathrm{AdS}$-quasi-Fuchsian groups that are not Fuchsian are Zariski dense in $\mathrm{PO}(n,2)$

Hausdorff dimension of limit sets for projective Anosov representations

We study the relation between critical exponents and Hausdorff dimensions of limit sets for projective Anosov representations. We prove that the Hausdorff dimension of the symmetric limit set in $\mathbf{P}(\mathbb{R}^{n}) \times \mathbf{P}({\mathbb{R}^{n}}^*)$ is bounded between two critical exponents associated respectively to a highest weight and a simple root

Gromov-Thurston manifolds and anti-de Sitter geometry

We consider hyperbolic and anti-de Sitter (AdS) structures on $M\times (0,1)$, where $M$ is a $d$-dimensional Gromov-Thurston manifold. If $M$ has cone angles greater than $2\pi$, we show that there exists a "quasifuchsian" (globally hyperbolic maximal) AdS manifold such that the future boundary of the convex core is isometric to $M$. When $M$ has cone angles less than $2\pi$, there exists a hyperbolic end with boundary a concave pleated surface isometric to $M$. Moreover, in both cases, if $M$ is a Gromov-Thurston manifold with $2k$ pieces (as defined below), the moduli space of quasifuchsian AdS structures (resp. hyperbolic ends) satisfying this condition contains a submanifold of dimension $2k-3$. When $d=3$, the moduli space of quasifuchsian AdS (resp. hyperbolic) manifolds diffeomorphic to $M\times (0,1)$ contains a submanifold of dimension $2k-2$, and extends up to a "Fuchsian" manifold, that is, an AdS (resp. hyperbolic) warped product of a closed hyperbolic manifold by~$\R$. We use this construction of quasifuchsian AdS manifolds to obtain new compact quotients of \O(2d,2)/\U(d,1). The construction uses an explicit correspondence between quasifuchsian $2d+1$-dimensional AdS manifolds and compact quotients of \O(2d,2)/\U(d,1) which we interpret as the space of timelike geodesic Killing fields of \AdS^{2d+1}.Comment: 48 page

Dynamique lorentzienne et groupes de difféomorphismes du cercle

This thesis is divided into two parts, dealing with two different aspects of Lorentzian geometry.The first part deals with isometry groups of globally hyperbolic spatially compact Lorentz surfaces, especially when it has a non trivial dynamical behavior (non proper action). The isometry group acts on circle by diffeomorphisms, and the main results of this part concern the classification of these actions. Under a hypothesis on the conformal boundary, we show that they are topologically conjugate to the projective action of a subgroup of PSL(2,R), or one of its finite covers. The differentiability of the conjugacy is studied, with some results giving a differentiable conjugacy under additional hypotheses. We also give counter examples to such a differentiable conjugacy, even for groups with rich dynamics. These constructions use hyperbolic flows on three manifolds.Without the hypothesis on the conformal boundary, we obtain a semi conjugacy and a group isomorphism. We also give examples where a topological conjugacy cannot exist.In the second part of this thesis, we see a spacetime as a multi valued dynamical system: we map a point to its causal future. This point of view was already adopted by Fathi and Siconolfi, and it gives a concrete meaning to the link between Lyapunov functions in dynamical systems and time functions. The main result is a Lorentzian version of Conley's Theorem: we define the chain recurrent set of a spacetime, and construct a continuous function that increases along future directed causal curves outside the chain recurrent set, and that is non decreasing along other future curves. These techniques also apply to the stably causal setting, and we obtain a new proof of a part of Hawking's Theorem.Cette thèse comporte deux parties, axées sur des aspects différents de la géométrie lorentzienne.La première partie porte sur les groupes d’isométries de surfaces lorentziennes globalement hyperboliques spatialement compactes, particulièrement lorsque le groupe exhibe une dynamique non triviale (action non propre). Le groupe d'isométries agit naturellement sur le cercle par difféomorphismes, et les résultats principaux portent sur la classification de ces représentations. Sous une hypothèse sur le bord conforme, on obtient une conjugaison par homéomorphisme avec l'action projective d'un sous-groupe de PSL(2,R) ou de l'un de ses revêtements finis. La différentiabilité de la conjuguante est étudiée, avec des résultats qui garantissent une conjugaison dans le groupe de difféomorphismes du cercle dans certains cas. On donne également des contre-exemples à l'existence d'une conjugaison différentiable, y compris pour des groupes ayant une dynamique riche. Ces constructions s'appuient sur l'étude de flots hyperboliques en dimension trois.Sans l'hypothèse sur le bord conforme, on obtient une semi conjugaison et un isomorphisme de groupes. On construit également des exemples pour lesquels il n'existe pas de conjugaison topologique.La seconde partie de cette thèse étudie un espace-temps vu comme un système dynamique multi-valuée : à un point on associe sont futur causal. Cette approche, déjà présente dans les travaux de Fathi et Siconolfi, permet de concrétiser le lien entre fonctions de Lyapunov en systèmes dynamiques et fonctions temps. Le résultat principal est une version lorentzienne du Théorème de Conley : on peut définir l'ensemble récurrent par chaînes d'un espace-temps, et il existe une fonction continue croissante le long de toute courbe causale orientée vers le futur, strictement croissante si le point de départ de la courbe n'est pas dans l'ensemble récurrent par chaînes. Ces techniques s'adaptent aussi dans un espace-temps stablement causal, ce qui permet de donner une nouvelle preuve d'une partie du Théorème d'Hawking

Isometries of Lorentz surfaces and convergence groups

We study the isometry group of a globally hyperbolic spatially compact Lorentz surface. Such a group acts on the circle, and we show that when the isometry group acts non properly, the subgroups of Diff(S^1) obtained are semi conjugate to subgroups of finite covers of PSL(2,R) by using convergence groups. Under an assumption on the conformal boundary, we show that we have a conjugacy in Homeo(S^1

Lorentzian dynamics and groups of circle diffeomorphisms

Cette thèse comporte deux parties, axées sur des aspects différents de la géométrie lorentzienne. La première partie porte sur les groupes d’isométries de surfaces lorentziennes globalement hyperboliques spatialement compactes, particulièrement lorsque le groupe exhibe une dynamique non triviale (action non propre). Le groupe d'isométries agit naturellement sur le cercle par difféomorphismes, et les résultats principaux portent sur la classification de ces représentations. Sous une hypothèse sur le bord conforme, on obtient une conjugaison par homéomorphisme avec l'action projective d'un sous-groupe de PSL(2,R) ou de l'un de ses revêtements finis. La différentiabilité de la conjuguante est étudiée, avec des résultats qui garantissent une conjugaison dans le groupe de difféomorphismes du cercle dans certains cas. On donne également des contre-exemples à l'existence d'une conjugaison différentiable, y compris pour des groupes ayant une dynamique riche. Ces constructions s'appuient sur l'étude de flots hyperboliques en dimension trois. Sans l'hypothèse sur le bord conforme, on obtient une semi conjugaison et un isomorphisme de groupes. On construit également des exemples pour lesquels il n'existe pas de conjugaison topologique. La seconde partie de cette thèse étudie un espace-temps vu comme un système dynamique multi-valuée : à un point on associe sont futur causal. Cette approche, déjà présente dans les travaux de Fathi et Siconolfi, permet de concrétiser le lien entre fonctions de Lyapunov en systèmes dynamiques et fonctions temps. Le résultat principal est une version lorentzienne du Théorème de Conley : on peut définir l'ensemble récurrent par chaînes d'un espace-temps, et il existe une fonction continue croissante le long de toute courbe causale orientée vers le futur, strictement croissante si le point de départ de la courbe n'est pas dans l'ensemble récurrent par chaînes. Ces techniques s'adaptent aussi dans un espace-temps stablement causal, ce qui permet de donner une nouvelle preuve d'une partie du Théorème d'Hawking.This thesis is divided into two parts, dealing with two different aspects of Lorentzian geometry. The first part deals with isometry groups of globally hyperbolic spatially compact Lorentz surfaces, especially when it has a non trivial dynamical behavior (non proper action). The isometry group acts on circle by diffeomorphisms, and the main results of this part concern the classification of these actions. Under a hypothesis on the conformal boundary, we show that they are topologically conjugate to the projective action of a subgroup of PSL(2,R), or one of its finite covers. The differentiability of the conjugacy is studied, with some results giving a differentiable conjugacy under additional hypotheses. We also give counter examples to such a differentiable conjugacy, even for groups with rich dynamics. These constructions use hyperbolic flows on three manifolds. Without the hypothesis on the conformal boundary, we obtain a semi conjugacy and a group isomorphism. We also give examples where a topological conjugacy cannot exist. In the second part of this thesis, we see a spacetime as a multi valued dynamical system: we map a point to its causal future. This point of view was already adopted by Fathi and Siconolfi, and it gives a concrete meaning to the link between Lyapunov functions in dynamical systems and time functions. The main result is a Lorentzian version of Conley's Theorem: we define the chain recurrent set of a spacetime, and construct a continuous function that increases along future directed causal curves outside the chain recurrent set, and that is non decreasing along other future curves. These techniques also apply to the stably causal setting, and we obtain a new proof of a part of Hawking's Theorem