Orientador: Alberto Vazquez Saa / Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Instituto de Matematica, Estatistica e Computação Cientifica / Made available in DSpace on 2018-08-04T02:11:29Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Dadam_Fabio_M.pdf: 999114 bytes, checksum: 86eea1cd6f96a55892393c5ee86c320f (MD5) Previous issue date: 2005 / Resumo: Oscilações de buracos negros adquiriram importância nos últimos anos devido a possibilidade de se comprovar a existência de tais corpos celestes por meio da detecção da radiação gravitacional emitida por eles. Nesse trabalho, o estudo da propagação de ondas de diferentes tipos incidentes em um buraco negro é apresentado sob o ponto de vista matematico. Inicialmente, são usados elementos de Geometria Diferencial a fim de se estabelecer a estrutura matemática da gravitação e, a partir de um conjunto de hipóteses, determinase uma família de soluções das Equações de Einstein que caracteriza os buracos negros (Schwarzschild, Reissner-Nordstrom, Kerr e Kerr-Newman). As Equações de Teukolsky, que governam as perturbações de buracos negros, são obtidas com a ajuda do formalismo de Newman-Penrose e transformadas em uma equação de onda unidimensional. Obedecendo a condições de fronteira especificas, soluções dessa equação para frequências complexas são então determinadas a partir de diferentes métodos semi-analiticos / Abstract: In the past few years, black hole oscillations became a very interesting research area mainly due to the possibility of proving the existence of such celestial bodies through the gravitational radiation emitted by them. In this work, the study of the propagation of different kinds of incident waves on a black hole is presented under the mathematical point of view. Initially, elements of differential geometry are used to establish the mathematical structure of gravitation and, under certain hypotheses, a family of solutions to the Einstein equations is obtained, describing the black holes (Schwarzschild, Reissner-Nordstr¨om, Kerr and Kerr-Newman). Teukolsky equations, which govern the black hole perturbations, are obtained with the aid of Newman-Penrose formalism and transformed to a one-dimensional wave equation. According to certain boundary conditions, solutions of this equation for complex frequencies are determined from different semi-analytic methods / Mestrado / Geometria / Mestre em Matemática

Orientador : Patricio Anibal Letelier Sotomayor / Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Instituto de Matematica, Estatistica e Computação Cientifica / Made available in DSpace on 2018-07-31T17:50:56Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Oliveira_RafaelRibeiroDiasVilelade_M.pdf: 1301756 bytes, checksum: 03f1033594a7b9d0285dbd19b8615341 (MD5) Previous issue date: 2001 / Resumo: Estudamos a ocorrência de caos homoclínico nas órbitas (geodésicas) de partículas-teste sujeitas à ação gravitacional de um buraco-negro central e de uma casca (halo) exterior de matéria. Para isso, supomos que a casca externa tem simetria axial, de maneira que a métrica resultante é uma métrica de Weyl. Tratamos os efeitos gravitacionais dessa casca como perturbação multipolar da métrica de Schwarzschild e utilizamos o Método de Melnikov para detectar a presença do emaranhado homoclínico no espaço de fase, estrutura que implica dinâmica caótica do tipo Ferradura de Smale. Concluímos que caos homoclínico é geral nessa situação e discutimos algumas possíveis conseqüências físicas / Abstract: We study the occurrence of homoclinic chaos in the orbits (geodesics) of test-particles under the gravitational action of a central black-hole and an exterior shell of matter. To this purpose we assume that the shell is axially symmetric, so that the corresponding metric is a Weyl one. We treat the gravitational effects of the shell as a multipolar pertubation of the Schwarzschild metric and use the Melnikov Method to show the existence of the homoclinic tangle in phase space, which implies that the dynamics is chaotic in the sense of the Smale horseshoe. We conclude that homoclinic chaos is general in this situation and discuss some physical consequences / Mestrado / Mestre em Matemática Aplicada

Este trabalho visa o estudo das perturbações de sistemas gravitacionais altamente compactos, como buracos negros e estrelas de nêutrons e de quarks. As perturbações em questão podem ser de diversas naturezas (escalar, eletromagnética ou gravitacional), sendo que detivemo-nos mais atentamente naquelas de natureza gravitacional, pois estas têm despertado mais interesse por serem astronomicamente mais fáceis de detectar. Além de estudarmos tais perturbações, procedemos a uma comparação dos resultados para buracos negros, estrelas de nêutrons e de quarks. Tal comparação justifica-se pelo fato de que a confrontação de previsões teóricas com resultados experimentais pode ajudar-nos a identificar objetos astronômicos de interesse, distingüi-los e, no caso de estrelas, aprender algo sobre sua estrutura interna, particularmente sobre a equação de estado (EDE) do fluido estelar. No que se segue, dividimos o trabalho em sete partes. Em primeiro lugar, damos uma introdução bastante sucinta ao mesmo (Capítulo 1). Depois, falamos sobre a física de estrelas de nêutrons e de quarks (Capítulo 2). A seguir, fazemos um estudo comparativo dos dois tipos de estrelas (Capítulo 3). Mais adiante, discutimos as perturbações de diversos tipos, além de definir os MQNs (Modos Quasi-Normais) de buracos negros de Schwarzschild (Capítulo 4). Prosseguimos a discussão com a métrica de Reissner-Nordström-de Sitter (Capítulo 5) e introduzimos, na seqüência, os MQNs estelares, de forma muito breve (Capítulo 6). Por fim, apresentamos nossas conclusões (Capítulo 7). A parte inédita deste trabalho está concentrada nos capítulos 5 e 6, os quatro anteriores servindo de preparativo e de base comparativa para estes dois. / This work aims the detailed study of the perturbations of highly compact gravitational systems, such as black holes and both neutron and quark stars. Such perturbations may have several different characters, such as scalar and electromagnetic fields as well as gravitational (either axial or polar) disturbances. We have focused more closely on the latter kind of perturbation, since they offer better possibilities of detection in the near future, in the form of gravitational waves. Besides studying the aforementioned perturbations, we have proceeded to a comparison between black holes and neutron and quark stars , when it comes to the outcomes of the perturbations, usually called QNMs (quasi-normal modes). Such a comparison is actually in order, since a direct comparison of theoretical and observational data may help us identify astronomical objects and, in the case of compact stars, may provide valuable insights into these stars' inner structure, particularly when it comes to their equation of state (EOS). In what follows, we have subdivided this work in seven parts. We begin with a brief introduction (Chapter 1), then proceed to a description of the physics of both neutron and quark stars (Chapter 2) and, in the sequence, to a comparative study of both kinds of star (Chapter 3). Subsequently, we develop the perturbation theory of the Schwarzschild black holes, discussing their QNMs (Chapter 4) and doing the same, later, for a more general Reissner-Nordström-de Sitter geometry (chapter 5). After that, we provide a very brief introduction to the stellar MQNs (Chapter 6). Finally, we present our conclusions (Chapter 7). The chapters 5 and 6 carry the inedit part of this work, and the chapters from 1 to 4 pave the way and provide a comparative basis for them.

A presente dissertação tem como objeto de estudo sistemas da física da matéria condensada que sejam capazes de simular sistemas gravitacionais, tais como buracos negros e universos em expansão, onde processos quânticos tomam parte. Neste estudo nos debruçamos principalmente sobre o modelo do fluido e condensados de Bose-Einstein. No modelo do fluido exploramos a geometria efetiva que surge e os problemas de back-reaction e dos modos trans-planckianos de campos quânticos. No modelo baseado em condensados exploramos sua faceta cosmológica e a possibilidade de campos maciços. Além destes dois modelos de grande relevância na literatura, ainda expomos os análogos em cordas elásticas e os baseados em ondas na superfícies de fluidos e uma análise geral baseada no formalismo lagrangeano para campos. / This dissertation has as object of study systems of condensate-matter physics which can simulate gravitational systems like black holes and expanding universes where quantum processes take place. In this study we lay attention mainly on the fluid model and on Bose-Einstein-condensate-based models. In the fluid model we explore the features of the emergent geometry and other problems like the back-reaction and the trans-planckian modes of quantum fields. In the condensate-based models we explore their cosmological aspects and the possibility for massive fields. Moreover, we shall present two other models, the elastic string and the surface-wave-based models in fluids, and a very general analysis based on the Lagrangean formalism for fields.

A presente dissertação tem como objeto de estudo sistemas da física da matéria condensada que sejam capazes de simular sistemas gravitacionais, tais como buracos negros e universos em expansão, onde processos quânticos tomam parte. Neste estudo nos debruçamos principalmente sobre o modelo do fluido e condensados de Bose-Einstein. No modelo do fluido exploramos a geometria efetiva que surge e os problemas de back-reaction e dos modos trans-planckianos de campos quânticos. No modelo baseado em condensados exploramos sua faceta cosmológica e a possibilidade de campos maciços. Além destes dois modelos de grande relevância na literatura, ainda expomos os análogos em cordas elásticas e os baseados em ondas na superfícies de fluidos e uma análise geral baseada no formalismo lagrangeano para campos. / This dissertation has as object of study systems of condensate-matter physics which can simulate gravitational systems like black holes and expanding universes where quantum processes take place. In this study we lay attention mainly on the fluid model and on Bose-Einstein-condensate-based models. In the fluid model we explore the features of the emergent geometry and other problems like the back-reaction and the trans-planckian modes of quantum fields. In the condensate-based models we explore their cosmological aspects and the possibility for massive fields. Moreover, we shall present two other models, the elastic string and the surface-wave-based models in fluids, and a very general analysis based on the Lagrangean formalism for fields.

The local universe is dominated by quiescent galaxies with little or no ongoing star formation. Once star formation has been shut down in a possible quasar phase, energy feedback in the form of outflows from a supermassive black hole (SMBH) accreting at a low rate is one of the leading candidates for heating up or removing gas accreted afterwards. In this work we performed hydrodynamic simulations of radiatively inefficient accretion flows around supermassive black holes and investigate the generation of outflows by the accretion flow. We found that hot accretion flows can produce powerful subrelativistic winds that carry considerable amounts of energy away and they can provide feedback inside the host galaxy. / O universo local é dominado por galáxias quiescentes com pouca, ou nenhuma, taxa atual de formação estelar. Uma vez que a formação estelar é suprimida numa possível fase de quasar do núcleo ativo da galáxia, o feedback de energia na forma de outflows do buraco negro supermassivo acretando a pequenas taxas é um dos principais candidatos a aquecer ou remover o gás do sistema. Nesse trabalho, executamos simulações hidrodinâmicas de escoamentos acretivos radiativamente ineficientes ao redor de buracos negros supermassivos e investigamos a geração de outflows pelo escoamento. Encontramos que escoamentos acretivos quentes podem produzir ventos subrelativísticos poderosos que carregam para fora consideráveis quantidades de energia e que podem providenciar feedback dentro da galáxia hospedeira.

Orientador: George Emanuel Avraam Matsas / Banca: Alberto Vasquez Saa / Banca: Daniel Augusto Turolla Vanzella / Banca: Nathan Jacob Berkovits / Banca: Carlos Monken / Resumo: Mesmo tratando a gravidade classicamente, a Teoria Quântica de Campos em Espaços Tempos Curvos (TQCEC) faz previsões impressionantes sobre o comportamento de campos quânticos na presença de campos gravitacionais. Entretanto, ao mesmo tempo em que nos revela efeitos surpreendentes, a TQCEC levanta uma série de questionamentos. O desenvolvimento de uma teoria na interface entre a teoria da relatividade, a mecânica quântica e a teoria da informação poderá não só lançar uma nova luz em tais questões como também nos permitir descobrir novos efeitos de gravitação quântica de baixas energias. Entretanto, os efeitos que a teoria da relatividade causa na teoria da informação quântica são não triviais já no espaço-tempo de Minkowski. Faz-se necessáaria portanto uma análise cuidadosa de tais efeitos já no contexto da relatividade especial. Sendo assim, estudamos primeiro o comportamento das desigualdades de Bell usando férmions de spin 1/2 e fótons quando os detetores que medem spin e polarização, respectivamente, movemse com certa velocidade. Além disso, usamos o limite de Holevo para estudar sistemas de comunicação quando as partes que trocam informação tem um movimento relativo. Como um desenvolvimento natural, estudamos diversos aspectos da teoria da informação quântica no contexto da teoria quântica de campos e, em particular, do efeito Unruh. Tais resultados nos permitiram prever o comportamento de qubits nas vizinhanças de um buraco negro de Schwarzschild / Abstract: Although it treats gravity classically, the Quantum Field Theory in Curved Spacetimes (QFTCS) makes remarkable predictions about de behavior of quantum fields in the presence of gravitational fields. However, these striking discoveries raises several issues. The development of a theory at the interface between the theory of relativity, quantum mechanics and information theory could not only shed new light on such questions as well as allow us to uncover new low-energy quantum gravity effects. However, relativity affects quantum information theory in a highly non-trivial way already in Minkowski spacetime. Therefore, a careful analysis of these effects in the context of special relativity is needed. For this purpose, we begin investigating how the movement of the spin and polarization detectors influences the Bell inequalities using spin 1/2 fermions and photons, respectively. Then, we use the Holevo bound to investigate quantum communication channels when the parts that trade information have a relative motion. As a natural development, we use quantum field theory and, in particular, the Unruh effect to analyze several aspects of quantum information theory. This enables us to predict the behavior of qubits in the vicinity of a Schwarzschild black hole / Doutor

Esta dissertação visa realizar um estudo acerca dos modelos de mundo brana no contexto proposto por Randall e Sundrum. O trabalho focaliza as perturbações de spin 0 no espaço-tempo de Kerr tomado como um mundo brana 4-dimensional. Para isso apresentamos os principais aspectos da Relatividade Geral de Einstein, bem como perturbações em métricas que descrevem buracos negros. Fizemos uma revisão dos modelos de Randall-Sundrum, suas motivações e tentativas de descrever buracos negros na brana. Por m a perturbação escalar da corda negra em rotação (Kerr-Randall-Sundrum) e o fenômeno de super-radiação são analisados. / This dissertation aims at studying the braneworld models in the context proposed by Randall and Sundrum. The focus is on the spin-0 perturbations in the Kerr space-time as a 4- dimensional braneworld. The work deals the main aspects of Einstein General Relativity as well as perturbations of black holes metrics. We also review the Randall-Sundrum models and their motivations and attempts to describe braneworld black holes. In the end the Kerr-Randall-Sundrum black string scalar perturbation and superradiance are obtained.

In this work, we review three topics which are relevant on its own but which are also interconnected through the AdS/CFT correspondence: (i) black holes in AdS and its thermodynamics, (ii) nonlinear instability of AdS and (iii) scalar- tensor theory of gravity. Each one of these topics find applications in holography using the above mentioned correspondence. We review the various coordinate systems used to write the AdS metric and discuss the main black holes with AdS asymptotics as well as their thermodynamical properties. We also review current results on linear and nonlinear stability for various spacetimes, presenting a heuristic explanation for the nonlinear instability of AdS. The discussion about alternative theories of gravity is restricted to the case of scalar-tensor theories (Horndeski theories, specially). We study the multipole expansion of the electromagnetic field in the solitonic background of a shift-symmetric scalar-tensor model (up to second order in the scalar field coupling constant with the Gauss-Bonnet term). We find that the multipoles are everywhere regular and finite except for the monopole l = 0, which diverges at the origin of the spacetime coordinates. / Neste trabalho, temos como objetivo fazer uma revisão sobre três temas de grande relevância por si só mas, que também se interligam através da correspondencia AdS/CFT: (i) buracos negros em AdS e sua termodinâmica, (ii) a instabilidade não-linear de AdS e (iii) teorias escalar-tensoriais da gravidade. Cada um destes temas encontram aplicações em holografia usando a correspondencia citada acida. Revisamos as diversas formas de escrever a métrica de AdS e discutimos os principais buracos negros assintóticamentes AdS assim como suas propriedades termodinâmicas. Nós também revisamos os resultados atuais sobre a estabilidade linear e não-linear para diversos espaços-tempos, reproduzindo uma explicação heurísitca sobre a instabilidade não-linear do espaço-tempo AdS. A discussão das teorias alternativas à Relatividade Geral é restrita ao caso das teorias escalar-tensorias da gravidade (a teoria de Horndeski, especialmente). Nós estudamos a expansão multipolar do campo electromagnético em um espaço-tempo que é solução do modelo \"shift-symmetric scalar tensor gravity\" (até segunda ordem na constante de acoplamento do campo escalar com o termo de Gauss-Bonnet) com características solitônicas. Encontramos que os multipolos são regulares e finitos em todo espaço-tempo com exceção do monopolo l = 0, que diverge na origem do sistema de coordenadas.

Esta dissertação visa realizar um estudo acerca dos modelos de mundo brana no contexto proposto por Randall e Sundrum. O trabalho focaliza as perturbações de spin 0 no espaço-tempo de Kerr tomado como um mundo brana 4-dimensional. Para isso apresentamos os principais aspectos da Relatividade Geral de Einstein, bem como perturbações em métricas que descrevem buracos negros. Fizemos uma revisão dos modelos de Randall-Sundrum, suas motivações e tentativas de descrever buracos negros na brana. Por m a perturbação escalar da corda negra em rotação (Kerr-Randall-Sundrum) e o fenômeno de super-radiação são analisados. / This dissertation aims at studying the braneworld models in the context proposed by Randall and Sundrum. The focus is on the spin-0 perturbations in the Kerr space-time as a 4- dimensional braneworld. The work deals the main aspects of Einstein General Relativity as well as perturbations of black holes metrics. We also review the Randall-Sundrum models and their motivations and attempts to describe braneworld black holes. In the end the Kerr-Randall-Sundrum black string scalar perturbation and superradiance are obtained.