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Preprint submitted on 22 Dec 2006
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Espace de twisteurs d’une variete presque hermitienne de dimension 6
Jean-Baptiste Butruille
To cite this version:
Jean-Baptiste Butruille. Espace de twisteurs d’une variete presque hermitienne de dimension 6. 2006.
�hal-00004382v3�
hal-00004382, version 3 - 22 Dec 2006
hermitienne de dimension 6
Jean-Baptiste Butruille
Résumé
Ons'intéresseàl'espaedetwisteursréduitd'unevariétépresqueher-
mitienne,enrelisantunartiledeN.R.O'BrianetJ.H.Rawnsley[24 ℄.On
traitelaquestionlaissée ouvertedeladimension6.Cet espaeest muni
d'unestruturepresqueomplexe
J
enutilisant ladistributionhorizon- taledelaonnexionhermitienneanonique.Onmontrequ'uneonditionnééssaire d'intégrabilité de
J
est que lavariété soit detypeW
1⊕ W
4danslalassiationdeGrayetHervella[14℄.Dansladeuxièmepartieon
montrealorsquelesseulesvariétésdetype
W
1⊕ W
4endimension6sontles variétés loalement onformément nearly Kähler. Finalement la
struturepresqueomplexedel'espae detwisteursréduitestintégrable
sietseulement silavariétéestloalement onformeàlasphère
S
6 ouà unevariétékählerienne,Bohner-plate.Introdution
LathéoriedestwisteursinventéeparR.Penrose(voirl'artilefondateur[23℄)
estunmoyend'utiliserlestehniqueseaesdelagéométrieholomorphepour
résoudredesproblèmesdegéométrieriemannienneoupseudo-riemannienne.
Soit
M
unevariétédedimensionpairem = 2n
.Onpartd'unevariétéom-plexe
Z
,donnéeaveunesubmersionàbresomplexesπ : Z → M
.Onassoieàtoutpoint
j
deZ
unendomorphismedearré-1deT
π(j)M
(ouàtoutesetion,unestruture presqueomplexe de
M
)en transportantlamultipliationpari
de
T
jZ
par l'isomorphismedépendant dupoint(π
∗)
j: T
jZ/V
j→ T
π(j)M
,oùV
estladistributionvertiale.SoitZ
lebrédeM
dontlabreau-dessusdex
estl'ensembledesendomorphismesdearré-1de
T
xM
.Onnoteπ
0: Z → M
laprojetionanonique.Onadonuneappliation
ϕ
deZ
dansZ
,préservantlesbres.D'autrepart,il estonnuque
Z
x= π
0−1(x)
est isomorpheentoutpointàl'espae symétriquehermitien
GL(m, R )/GL(n, C )
et admetpar onséquentune struturepresque omplexenaturelle intégrable. Alorsondemande que
ϕ
soitinjetiveetquepourtout
x ∈ M
larestritiondeϕ
àZ
xsoituneinjetionholomorphe.Danse as,
Z
estappeléunespaede twisteurs omplexedeM
.Réiproquement, pourobtenirun espaede twisteurs omplexe sur
M
,onprend
Z
une sous-variétédeZ
telle quela restrition deπ
0 àZ
est toujoursunebrationetpourtout
x ∈ M
,Z
xest unesous-variétéomplexe deZ
x.Ononstruitune struturepresqueomplexe
J
surZ
,enseservantd'unesetiondelasuiteexate
0 → V → T Z → T Z/V → 0
donnéed'habitudeparuneonnexionsur
M
.AlorsZ
estunespaedetwisteursomplexe,ave
ϕ
l'injetionanonique,siet seulementsiJ
estintégrable.Le parfait exemple d'une telle situation est la bration à bres
C P
1 del'espaeprojetif omplexe
C P
3 surlasphèreS
4 dontlesvertusfurentdéou-vertes par Atiyah, Hithin et Singerdans [1℄. Les mêmes auteurs ont herhé
unegénéralisationauxvariétésriemanniennesdedimension4,enposantapri-
orique
Z
est lasous-variétédeZ
onstituéedesstruturespresqueomplexesompatiblesave lamétrique.Celapeutd'ailleurs êtrefaiten dimensionpaire
supérieuremaisdèsladimension6laonditionobtenuepourl'intégrabilitéde
J
estquelavariétésoitonformémentplatetandisqu'endimension4ellealieu pourtoutelarihelassedesvariétésauto-duales,enraisond'unesingularitédeladéompositionen omposantesirrédutibles, en
m = 4
,de laréprésentation deSO(m)
surl'espaedestenseursdeourbureriemannienne abstraits.O'Brian et Rawnsley[24℄ regardent, eux, desespaesde twisteurs assoiés
à une
G
-struture et uneG
-onnexion.Le as originel orrespond bien sûr àG = SO(m)
et la onnexion de Levi-Civita. Ils se sont partiulièrement in- téressés au as oùG = U (n)
. A leur suite, on onsidère une variété presquehermitienne
(M, g, J
0)
. On demande que lessetions deZ
soient ompatiblesave
g
etommutentaveJ
0 etonabesoinpouronstruireJ
d'uneonnexionhermitienne
∇ e
. Lesonditionsd'intégrabilitérappelées setion2 portentalors nonseulementsurlaourburede∇ e
maissursatorsion,qui n'estpasnulleengénéral. Par ailleurs on montre setion 3 qu'on peut sans perte de généralité
pournotreproblèmehoisirlaonnexion hermitienneanonique
∇
.Endimensionsupérieureà
10
,J
estintégrablesietseulementsilavariétéestloalementonformeàunevariétékählerienne(LCK)dontletenseurdeBohner
estnul.Cettelassedevariétésprésenteelle-mêmeungrandintérêt.Leurétude
diile est abordée par exempledans [4℄ (voiraussi [10℄). On s'intéresseii à
ladimension6.Onmontre quelesonditionsimposéesàlatorsionsontmoins
stritesen ette dimensionpuisque outre les variétés LCK,toutes les variétés
detype
W
1⊕ W
4danslalassiationdeGray-Hervella[14℄lessatisfont.Parmi elles-iontrouveenpartiulierlesvariétésstritementnearlyKähler(NK).Mais laforme de laourbure dees dernières est si partiulière en dimension
6que lesonditionsimposéesàelle-i(proposition2.3)nelaissentnalement
quelasphère
S
6.Oronmontre,setion5,que
Théorème1. Lesvariétéspresquehermitiennesdetype
W
1⊕W
4endimension6sontloalementonformesàune variétéNK.
Ce théorème et la disussion préédente permettent de onlure, ompte-
tenude l'invarianeonformedel'espaedetwisteurs réduitet desastruture
presqueomplexe:
Théorème 2. Soient
M
une variété presque hermitienne de dimension 6,Z
sonespae de twisteursréduit,
J
la struture presqueomplexe surZ
assoiéeàla onnexion hermitienne anonique :
J
est intégrable siet seulement siM
estloalementonforme àunevariétékählerienne Bohner-plate ouàla sphère
S
6 muniede sastrutureNK.L'artile est organisé en deux parties, orrespondant aux deux théorèmes
prinipaux1et2,quasimentindépendantes.Larésolutionomplèteduproblème
soulevédanslapremièrepartieamotivél'érituredelaseondepartie.
La méthode utilisée à la setion 5 s'inspire de l'étude des variétés NK de
dimension 6. A. Gray amontré dans [13℄ que elles-i sont soit kähleriennes,
soit stritementNK(SNK). Dans ledernieras ellesadmettentune rédution
naturelle à
SU (3)
. C'est de tenir toujours unmeilleur ompte de ette stru-ture
SU (3)
quesontvenuslesderniersrésultatslesonernant.D'abordReyes-Carrion[25℄amontréquelaonnexionhermitienneanoniqueétaitenfaitune
onnexion
SU(3)
. Puis il a déouvert, e que Hithin a rendu expliite dans[18℄,quetoutel'informationpourlastruture
SU (3)
, yomprislamétriqueetlastruturepresqueomplexe,estomprisedansladonnéededeuxformes:la
formedeKähler
ω
et laformevolumeomplexeΨ
(oudans eas ladiéren-tielledelaformedeKähler
dω
),equipermetdearatériserlesvariétésSNKen dimension6 parune équation diérentielle simple portant sur lastruture
SU (3)
.Ii on s'intéresse à d'autres variétés presque hermitiennes de dimension 6
qu'onappellespéiales'est-à-direàd'autresstrutures
U (3)
quiinduisentunestruture
SU (3)
sur lavariétéparl'intermédiaire dedω
. Salamon,Chiossi[8℄,prolongeantletravailde Gray,Hervellaontlassié lesvariétés
SU (3)
enon-sidérantlatorsionintrinséque.Celle-iestdonnéeparladéompositionentypes
de
dω
,dΨ
. Les variétésW
1⊕ W
4 sontalors aratérisées par deux équations diérentiellesportantnotammentsurlaformedeLeeθ
etonpeutmontrerqueelle-iestfermée,'est-à-direreprésenteloalement(parlelemmedePoinaré)
unhangementonformedemétriqueparlequellavariétéestissued'unevariété
NK.
Setion6,vuel'invarianeonformedeladénitiondel'espaedetwisteurs,
réduit ou non, on reformule les résultats de la setion 5 en onsidérant des
variétéspresquehermitiennesonformes.Onlaisseouvertelaquestiondesavoir
si un théorème tel que 1 a lieu en toute dimension et pour d'autres lasses
de variétés presque hermitiennes, stables par transformation onforme. Cette
question est liée à l'existene des variétés de type
G
1,G
2 de Hervella, Vidal[15℄. On donne seulement, setion 7, unrésultat d'existene loale de variétés
detype
W
1⊕ W
2⊕ W
4dedimension6nonloalementonformesàdesvariétésdetype
W
1⊕ W
2.1 Préliminaires
On souhaite donner ii quelquesdénitions générales et quelquesrésultats
simplesoulassiquessurlesvariétéspresquehermitiennes.
D'abordxonsquelquesnotations.Soient
M
une variétédedimensionm
etGL(M )
le bré prinipal surM
de groupeGL(m)
(le bré des repères). Lesreprésentationsde
GL(m)
fournissent desbrés assoiésdeGL(M )
, lesbrésdetenseursde
M
,parmilesquels:T M
,lebrétangentoulesbrésextérieursΛ
p.Maintenant,si
M
est unevariétériemannienneorientée,onaune première rédutiondeGL(M )
àSO(m)
: soitSO(M )
lebré des repères orthonormés diretsdeM
.Onnoteso(M )
sonbréadjoint'est-à-direlebrédesendomor- phismesantisymétriquesdeT M
.Plusgénéralement,soientG
ungroupedeLie,G ⊂ SO(m)
,d'algèbredeLieg
etg
⊥ l'orthogonaldeg
dansso(m)
.Onsupposeque
M
admetunerédutionàG
,'est-à-direqu'ilexisteunsous-bréprinipalG(M )
degroupeG
deSO(M )
.Alors onnoteg(M )
lebré adjointdeG(M )
.Demême
g
⊥(M )
désigneralebréassoiéàlareprésentationg
⊥ deG
.Dans et artile on onsidère des variétés presque hermitiennes. Une telle
variétéest dénie en dimension paire
m = 2n
par une rédution dubré desrepèresà
U(n)
,notéeU (M )
,ouautrementparunemétriqueg
etunestruturepresqueomplexe
J
,orthogonale,∀X, Y ∈ T M, g(JX, JY ) = g(X, Y ),
dénissantune 2-forme
ω
,appeléeforme de Kähler :∀X, Y ∈ T M, ω(X, Y ) = g(JX, Y )
Soit
T
1,0⊂ T
CM
lesous-brédesveteursomplexesdetype(1,0)parrapportà
J
.Demême,soitT
0,1lebrédesveteursdetype(0,1).Autrementdit,quelquesoit
x ∈ M
,T
x1,0(resp.T
x0,1)estlesous-espaepropre(omplexe)deJ
xpourlavaleurpropre
i
(resp.−i
). Letenseurde NijenhuisN
mesurel'intégrabilité delastruture presqueomplexeJ
oude ladistributionT
1,0. Ilest déni,envertuduthéorèmedeFrobenius,par
∀X, Y ∈ T M, N (X, Y ) + iJN (X, Y ) = [X
1,0, Y
1,0]
0,1,
(1)où pour tout
X ∈ T
CM
,X
1,0=
12(X − iJX)
etX
0,1=
12(X + iJX )
désig-nent les projetionsde
X
surT
1,0,T
0,1, respetivement. Soit don(M, g, J)
une variétépresque hermitienne. Le bré
u(M )
(resp.u(M )
⊥) est lebré desendomorphismesantisymétriquesde
T M
quiommutent(resp.antiommutent) àJ
.Onrappelleaussiquepourtoutbréprinipal
P
ilexisteuneationnaturelledubréintérieur sur lesbrésassoiés.En partiulier si
P
est unsous-bréde
GL(M )
surlesbrésdetenseurs.Ilexisteaussiuneationdérivéedubréadjoint.On note
Φs
(resp.A.s
) l'ation d'un automorphisme vertialΦ
deP
(resp.d'unesetion
A
dubréadjoint)surunhampdetenseurss
.Onsouhaiteexpliiteretteationdansleasoù
s
estuntenseurdetype(2,1):quelsquesoient
X, Y, Z ∈ T M
,Φs(X, Y ) = Φ s(Φ
−1X, Φ
−1Y )
A.s(X, Y ) = As(X, Y ) − s(AX, Y ) − s(X, AY )
Orlastruturepresqueomplexe
J
peut-êtrevuealternativementommeunen- domorphismeorthogonaldeT M
ouommeunendomorphismeantisymétrique, 'est-à-direune setion dubré adjointso(M )
. Paronséquent, ellepeutagirdees deuxfaçonset puisque
J
2= −Id
,Js(X, Y, Z) = J s(JX, JY )
Lesreprésentationsd'ungroupe,ii
U (n)
,interviennentdanslaonstrution des brés assoiés. On utilise la notation de Salamon [26℄. SoitV
un espaedereprésentationomplexe. On ditque
V
est de typeomplexe siV
n'est pasisomorpheàsononjugué
V
.Alors[[V ]]
désignesimplementl'espaevetoriel(oul'espaedereprésentation)réelsous-jaent.Auontraire
V
estditdetyperéels'iladmetune struture réelle, soit un endomorphisme de arré1antiommutant
à
i
. En partiulierV ≃ V
. Alors on note[V ]
le sous-espae propre de etendomorphismepourlavaleur
1
.Ils'agit d'un espaevetorielréel qui admetV
ommeomplexiation:V ≃ [V ] ⊗
RC
.SelonlesasonadondimR[[V ]] = 2
dimCV
oudimR[V ] =
dimCV
.De plusonnote[[ V ]]
ou[ V ]
le bréassoiédeU (M )
orrespondant.L'exemplefondamentalpournousestl'espaedesformesdetype
(p, q)
.Onsaitquel'intersetiondeetespae
λ
p,q avelesr-formesréelles(r = p + q
)estnullesi
p 6= q
.Enrevanheλ
p,q⊕ λ
q,pestlaomplexiationde[[λ
p,q]]
,l'espaedesformesréellesdetype
(p, q)+(q, p)
.Del'autretésip = q
onadiretementque
λ
p,p estlaomplexiationde[λ
p,p]
.Pourunevariétériemannienne,lamétriquefournitunisomorphisme
SO(m)
-invariant des deux brés
so(M )
etΛ
2. Pour une variété presque hermitienne(M, g, J )
onaenoutrelesisomorphismesU (n)
-invariants:u(M ) ≃ [ λ
1,1]
etu(M )
⊥≃ [[ λ
2,0]]
Soit
∇
laonnexiondeLevi-Civita deg
. Grayet Hervella[14℄regardentladérivéeovariantedelaformedeKähler
∇ω
.C'estunesetiondeΛ
1⊗ [[ λ
2,0]]
.Eneet
J
2= −Id
implique(∇
XJ )J + J (∇
XJ ) = 0
(2)don
∇J
estunesetiondeΛ
1⊗u(M )
⊥.Onpeutvoiretenseurommeledéfautpour
M
d'êtrekählerienne.Envuedelassierlesvariétéspresquehermitiennes Grayet HervelladéomposentΛ
1⊗ [[λ
2,0]]
sousl'ationdeU (n)
:Λ
1⊗ [[λ
2,0]] = [[λ
1,0⊗ λ
2,0]] ⊕ [[λ
0,1⊗ λ
2,0]]
= [[λ
1,0⊗ λ
2,0]] ⊕ [[λ
2,1]]
Ilexisteunsous-espae
U
1,U(n)
-invarianttelqueλ
1,0⊗ λ
2,0≃ λ
3,0⊕ U
1Alors
Λ
1⊗ [[λ
2,0]] ≃ [[λ
3,0]] ⊕ [[U
1]] ⊕ [[λ
2,10]] ⊕ Λ
1 (3)estladéompositionenomposantesirrédutiblesdelareprésentationde
U (n)
endimensionsupérieureouégaleà6.Pourunedémonstration,onsereportera
à[14℄enidentiant,avelesnotationsdesauteurs
W
1≃ [[λ
3,0]], W
2≃ [[U
1]], W
3≃ [[λ
2,10]]
etW
4≃ Λ
1Endimension4,
W
1,W
3sontréduitsà{0}
.Lamêmedéompositionestalulée parFalitelli,Farinola,Salamon[11℄enseservantdel'algorithmededéompo-sition des produits tensoriels exposé au hapitre 6 de [26℄ (gure 6.5). C'est
égalementlaproéduresuivie danset artilepourobtenirlesdéompositions
donnéessansdémonstration àlasetion 4(la preuveomplète est développée
auhapitre2,setion3de[6℄).
Aulieudedemanderquelapremièredérivéede
ω
satisfasseertainesondi-tions,ondemandera,danselangage,que
∇ω
prennesesvaleursdansertainssous-espaesinvariantsdénispar(3):
Dénition1.1. Soit
I ⊂ {1, 2, 3, 4}
.On appelle variétéde typeL
i∈I
W
i,unevariété presque hermitienne
(M, g, J)
telle que la dérivée ovariante pour laonnexion de Levi-Civita de la forme de Kähler
∇ω
est une setion du bréL
i∈I
W
i⊂ Λ
1⊗ [[ λ
2,0]]
.De plus,on appelle lasseL
i∈I
W
i l'ensemble de esvariétés.
Pourinformationetpourexemple,lalasse
W
3⊕W
4estlalassedesvariétéshermitiennes, et
W
2 est la lasse des variétés sympletiques. Comme on voit, l'intersetiondees deuxlassesest forméedevariétésvériant∇ω = 0
equiorrespondàladénitionalternativedesvariétéskähleriennes:ladiérentielle
delaforme deKähleretletenseurdeNijenhuissontnuls enmêmetemps.On
verrasetion 5une interprétation utiledesomposantesde
∇ω
enfontiondeN
,dω
(voirgure1).Ondénitlaonnexionhermitienneanonique
∇
par∇
X= ∇
X− 1
2 J(∇
XJ)
(4)Onvérieque
∇J = 0
.En outrequelquesoitX ∈ T M
,δ
X= ∇
X− ∇
X= 1
2 J(∇
XJ )
(5)antiommuteà
J
àausede(2).Laonnexion∇
estenfaitl'uniqueonnexionhermitienneayantettepropriété.Eneetsi
∇ e
estuneautreonnexionhermi-tienne,
∇
X− ∇ e
X ommuteàJ
quelquesoitX ∈ T M
.Onpeutdontoujoursdéomposer
∇ − ∇ e = (∇ − ∇) + (∇ − ∇) e
Λ
1⊗ so(M ) = Λ
1⊗ u(M )
⊥⊕ Λ
1⊗ u(M )
(6)Cettepropriétéaratériselaonnexionintrinsèquedelastruture
U(n)
,déniepour toute
G
-struture,G ⊂ SO(m)
. Le tenseurδ = ∇ − ∇
est appelé (parabus delangage) torsion intrinsèque de la struture
U (n)
. En eet, pour uneonnexionmétrique
∇ e
,l'appliationquiàδ e = ∇ − ∇ e
assoielatorsionT
:T (X, Y ) = e δ
XY − e δ
YX
est un isomorphisme. Maintenant,
δ
est envoyésur∇ω
par un isomorphismeU (n)
-invariant. On peut don aussi regarder les omposantes de e tenseur dans la déomposition (3). Par là, la déomposition de Gray-Hervella peut-êtregénéraliséeàtoute
G
-struture.Lesartiles[8,20℄serontitésdanslasuitepourleas
G = SU (n)
(lepremierseulementpourG = SU (3)
).Onmentionneégalementsuresujetl'artileantérieur[3℄deBor, HernándezLamoneda.
Première partie
2 L'espaede twisteurs réduitet sastruture presque
omplexe
Soit
Z (n)
l'ensemble desendomorphismesunitairesde arré−1
deC
n. Un élémentJ
deZ(n)
al'inverseJ
−1=
tJ ¯
maisaussi,puisqueJ
2= −1
,J
−1= −J
d'où
J +
tJ ¯ = 0
. Par etteremarque,Z(n)
est l'intersetionU (n) ∩ u(n)
dugroupeunitaireetdesonalgèbredeLie.Ladonnéed'untelendomorphismedi-
agonalisableestéquivalenteàladonnéed'unoupledesous-espaesomplexes
orthogonaux
(F, F
⊥)
,lessous-espaespropresdeJ
pourlesvaleurspropresi
et−i
.Enlassantsuivantladimensionp
deF
,onvoitqueZ(n)
aplusieursom-posantesonnexes,hauneisomorpheàuneGrassmanienneomplexe
G
p( C
n)
.Legroupe
U (n)
agittransitivementpar(g, J) 7→ gJg
−1surhaqueomposanteonnexequis'identieainsiàl'espaehomogène
U (n)/U(p)×
U (n − p)
. En partiulier la omposante orrespondantàp = 1
est isomorpheà
C P
n−1. En revanhe, on élimine les omposantes singulières orrespondant àla multipliation pari
et−i
deC
n. De plusZ(n)
est munid'une struturepresqueomplexe anonique
U (n)
-invariantenotéeJ
n, donnéeparlamultipli-ationàgauhepar
J
surhaqueespaetangentT
JZ(n)
,identiéàl'ensembledesendomorphismesde
u(n)
quiantiommutentàJ
(f[24℄).Dénition2.1. Soit
(M, g, J
0)
une variétépresque hermitiennede dimensionm = 2n
(NB : par éonomie de notation, on appelleJ
0, dans ette partie, lastruturepresqueomplexe de la variété).L'espae de twisteursréduit
Z
deM
estlebréassoiédubréprinipal
U(M )
pour l'ationdeU (n)
surZ(n)
.Cette dénition prend plae dans un adre très général. Il s'agit d'un as
partiulierd'uneonstrutionnaturelled'espaesdetwisteurssurdes
G
-variétésutiliséedans[2,24℄(voiraussi[7℄pourleasdesespaessymétriques).
Le sous-bré vertial
T
VZ
(tangent aux bres) est muni d'un endomor-phisme