Orientadores: Alberto Vazquez Saa, Marcus Aloízio Martinez de Aguiar / Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Instituto de Física Gleb Wataghin / Made available in DSpace on 2018-08-17T22:25:51Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Freitas_GabrielBernardide_M.pdf: 1988646 bytes, checksum: 0b4661aa158c2d9e054e30fd044ba4d9 (MD5) Previous issue date: 2011 / Resumo: O objetivo deste trabalho é a investigação do efeito Greisen-Zatsepin-Kuzmin (GZK) na presença de buracos negros, contemplando, dessa forma, uma correção de natureza astrofísica à propagação de raios cósmicos de ultra-alta energia. Inicia-se com uma descrição das principais características dos dois elementos cruciais envolvidos no efeito: os raios cósmicos de ultra-alta energia e a radiação cósmica de fundo. Posteriormente, é feita uma revisão sistemática do efeito GZK, mostrando as interações mais relevantes e a abordagem utilizada para o cálculo das perdas de energia. Também é dada especial atenção às correções de natureza cosmológica que devem ser incorporadas ao considerar fontes de raios cósmicos muito distantes. Em seguida, analisa-se o problema na presença de um buraco negro. O estudo é feito considerando a situação mais simples: a radiação cósmica de fundo é tratada como um banho térmico no qual um buraco negro de Schwarzschild está imerso, constituindo um sistema cuja evolução pode ser tratada na aproximação quase estática (mudanças adiabáticas). Uma aproximação para as trajetórias de raios cósmicos nesse espaço-tempo é proposta, e a partir dela são calculadas as perdas de energia de cada partícula em função da distância de máxima aproximação em relação ao buraco negro. Finalmente, são apresentadas as conclusões do autor, e as perspectivas futuras de investigação são discutidas / Abstract: The aim of this work is the investigation of the Greisen-Zatsepin-Kuzmin (GZK) effect in the presence of black holes, thereby consisting of an astrophysical correction for the propagation of ultrahigh energy cosmic rays. Firstly, a description of the main features of the two crucial elements involved in the effect, the ultrahigh energy cosmic rays and the cosmic microwave background, is given. Then, a systematic review of the GZK effect is presented, showing the most relevant interactions and the approach used for the calculation of energy losses. Also, special attention is given to the cosmological corrections that must be incorporated when very far cosmic-ray sources are considered. After that, the problem is analysed in the presence of a black hole. The study is based upon the simplest situation: the cosmic microwave background is treated as a thermal bath in which a Schwarzschild black hole is immersed, constituting a system whose evolution can be treated in the quasi-static approximation (adiabatic changes). An approximation for the cosmic-ray particles¿ trajectories is proposed, and then used to calculate the energy loss for each particle as a function of the maximum approximation distance to the black hole. Finally, the author¿s conclusions are presented, as well as perspectives for future investigations / Mestrado / Relatividade e Gravitação / Mestre em Física

Orientador: Alberto Vazquez Saa / Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Instituto de Fisica Gleb Wataghin / Made available in DSpace on 2018-08-14T22:40:13Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Maurer_ManuelaGibimRodrigues_D.pdf: 2170208 bytes, checksum: c6e199a21845849c79ef9b7ed5cd71da (MD5) Previous issue date: 2009 / Resumo: Nos últimos anos, a interpretação do cenário cosmológico sofreu inúmeras modificações, devido às contribuições das pesquisas em SNe Ia e em núcleos galáticos. Estes estudos evidenciam a presença de componentes exóticos no universo, a matéria e energia escuras. Os modelos de quintessência descrevem esta energia escura como um campo escalar acoplado à gravidade, considerando todo o universo permeado por ele. Na vizinhança de um buraco negro, este campo deverá ser absorvido, modificando a sua distribuição de massa. Esta acreção de massa exótica vem sendo interligada ao caso de buracos negros primordiais, sugerindo um possível mecanismo para a formação de buracos negros supermassivos. Utilizando uma abordagem quasi-estacionária, consideramos a evolução da massa de um buraco negro de Schwarzschild na presença de um campo cosmológico escalar não minimamente acoplado. A equação da evolução da massa é resolvida analiticamente para um acoplamento genérico, revelando um comportamento qualitativamente diferente do caso de acoplamento mínimo. Em particular, para buraco negros com massas menores que um certo valor crítico, o acréscimo do campo escalar pode levar à diminuição da massa, mesmo se nenhuma energia de phantom for envolvida. A validade física da abordagem quasi-estacionária adotada e algumas implicações do nosso resultado para evolução dos buracos negros primordiais e astrofísicos são discutidas. Mais precisamente, nós discutimos que os dados observacionais de buracos negros poderiam ser usados para colocar restrições no conteúdo de energia não minimamente acoplado / Abstract: In the last years, the interpretation of the cosmological scenario suffered uncountable modifications because of contribution of research in SNe Ia and galactic core. These studies demonstrate the presence of exotics components in the universe, the dark matter and the dark energy. Quintessencial models describe this dark energy as a scalar field coupled to gravity, considering the entire universe permeated by it. In the vicinity of a black hole, this field should be absorbed, modifying its distributions of mass. This accretion of this exotic mass has been interconnected at the case of primordial black holes, suggesting a possible mechanism for the formation of supermassive black holes. By using a quasi-stationary approach, we consider the mass evolution of Schwarzschild black holes in the presence of a nonminimally coupled cosmological scalar field. The mass evolution equation is analytically solved for generic coupling, revealing a qualitatively distinct behavior from the minimal coupling case. In particular, for black hole masses smaller than a certain critical value, the accretion of the scalar field can lead to mass decreasing even if no phantom energy is involved. The physical validity of the adopted quasi-stationary approach and some implications of our result for the evolution of primordial and astrophysical black holes are discussed. More precisely, we argue that black hole observational data could be used to place constraints on the nonminimally coupled energy content of the universe / Doutorado / Física das Particulas Elementares e Campos / Doutora em Ciências

FundaÃÃo de Amparo à Pesquisa do Estado do Cearà / CoordenaÃÃo de AperfeiÃoamento de Pessoal de NÃvel Superior / Propomos um modelo baseado na mudanÃa de topologia de uma variedade quÃntica no sentido de justificar a origem da termodinÃmica dos buracos negros. Alguns pontos importantes sÃo discutidos, por exemplo, o porquà de os buracos negros obedecerem a uma segunda lei generalizada da termodinÃmica. Para isso, nÃs estudamos as regras de seleÃÃo que governam as transiÃÃes de Ãrea de um buraco negro durante o seu processo de evaporaÃÃo, sendo estas governadas pelo processo de mudanÃa de topologia. Obtemos um espectro discreto para a Ãrea do horizonte de eventos, o qual se torna cada vez mais espaÃado à medida que o buraco negro aproxima da escala de Planck. O paradoxo da perda de informaÃÃo por buracos negros Ã, tambÃm, discutido. / A model based on the topology change of a quantum manifold is used to explain the origin of the black hole thermodynamics. Some important issues are addressed, for example, why black holes obey a generalized second law of thermodynamics. The method we use to do this is to analyze the selection rules for black hole area transitions in the evaporation process driven by topology change. A discrete spectrum, which becomes increasingly spaced as the black hole approaches the Planck scale, is obtained for the black hole area. The black hole information loss paradox is also addressed.

Esta tese é um estudo de estabilidade de modos quasinormais em um sistema que apresenta uma mudança de estabilidade ao variar continuamente os parâmetros físicos de um buraco negro. A mudança de estabilidade encontrada possui interpretações na correspondência AdS/CFT. A ferramenta principal utilizada neste trabalho para o cálculo de modos quasinormais foram métodos numéricos que podem ser utilizados em inúmeros trabalhos desta área de pesquisa, especialmente por não dependerem de suposições de simetria ou de comportamento conveniente do sistema físico. / This thesis is a study of stability of quasinormal modes in a system featuring a stability change if one continuously varies the physical parameters of a black hole. The stability change thus found has some possible interpretations in the AdS/CFT correspondence. The main tool used in this study for calculating quasinormal modes are numerical methods that can be used in numerous works in this area of research, especially because they do not depend on assumptions of symmetry or any convenient behavior of the physical system.

Neste trabalho faremos uma investigação no campo das perturbações gravitacionais e propagação de ondas em geometrias de buracos negros com campos elétricos ou magnéticos. Usando uma geometria tipo Ernst-Melvin de um buraco negro massivo em um Universo com campo magnético no eixo z, calculamos os modos quasi-normais de propagação de um campo escalar, demonstrando que este se comporta como um campo escalar com massa 2|m|B em uma geometria de Schwarzschild, para pequenos valores do campo magnético B (correspondendo m ao número azimutal do esférico harmônico). Ainda com esta geometria, calculamos a contribuição de ondas escalares para a entropia do buraco negro em termos dos cut offs ultravioleta e infravermelho. Com uma solução do tipo Reissner-Nordström em 4 dimensões, investigamos as possíveis correspondências entre os modos quasinormais e as propriedades termodinâmicas deste buraco negro, atestando o resultado de que a conjectura Hod modificada por Maggiore é válida em tal solução. Também, com uma geometria de Reissner-Nordström-de Sitter D-dimensional, obtivemos os modos quasi-normais de vibração para dois potenciais diferentes, estabelecendo a ausência de modos instáveis para uma grande gama de parâmetros deste buraco negro. / In this work we make an incursion into the branch of gravitational perturbations and field propagation around known-geometries of black holes with electromagnetic fields. Using an Ernst-Melvin type of geometry in a massive black hole immersed on a magnetic Universe, we calculate the quasi-normal modes of the propagating field, showing the equivalence of this problem with that of a massive scalar field (for which the mass is 2|m|B, m being the azhimutal number, and B the magnetic field) propagating around a Schwarzschild geometry. We also compute the contribution of the scalar field to the entropy of the black hole in terms of the infrared and ultraviolet cut offs. Using a Reissner-Nordstr¨om-like solution in 4 dimensions, we investigate the possible correspondence between quasi-normal modes and the thermodynamical properties of this black hole, atesting the validity of the modified Hod conjecture as proposed by Maggiore. Finally, for a Reissner-Nordstr¨om-de Sitter D-dimensional solution, we obtain the quasi-normal modes for two diferent potentials, establishing the absence of unstable modes for a large range of values for the black hole parameters.

Nesta dissertação discutimos o processo da acreção de materia sobre objetos compactos em suas diferentes abordagens. Iniciando com o caso clássico, estudamos sua contraparte relativística e, por fim, investigamos a acreção de fluidos cosmológicos (energia escura e matéria escura) em buracos negros. Devido a simetria esférica adotada, a formação dos chamados discos de acréscimo é proibida (tanto no caso clássico quanto no relativístico) e, portanto, os problemas relacionados com a física dos discos (sua formação e evolução) não foram investigados. No contexto clássico, analisamos inicialmente a chamada acreçao de Bondi, onde o fluido acretado obedece a uma equação de estado politropica e o processo de acreção é descrito pela hidrodinâmica euleriana. A existância de 6 tipos possíveis de solucões para o campo de velocidades é identicada e suas consequências fsicas são discutidas em detalhe. Apenas uma dessas soluções descreve de forma fisicamente consistente o processo de acreção. A taxa de materia acretada é constante, um resultado esperado devido a hipotese de regime estacionário. O estudo do caso relativstico é completamente baseado na Teoria da Relatividade Geral, com o campo gravitacional do corpo central sendo descrito pela metrica de Schwarzschild. O processo relativstico também ocorre sob condições estacionárias e, portanto, a taxa de acreção resultante também é constante. Uma atenção especial foi dedicada para a acreção de fluidos cosmologicos satisfazendo uma equação de estado linear e tambem para o chamado gás de Chaplygin. Estudamos separadamente o comportamento espacial do fluido na região dominada pela acreção e também a influência da evolução cosmologica nas regiões mais distantes. Mostramos que a massa do buraco negro central pode apresentar uma evolução no tempo em escala cosmológica. Os resultados de Babichev (caso linear) e o gás de Chaplygin foram unicadamente descritos através de uma equacão de estado generalizada. Por fim, determinamos também sob que condições a acreção de matéria pode provocar mudancas significativas na massa do buraco negro. / In this dissertation the matter accretion process upon compact objects is discussed in its diferent approaches. Starting with the classical case, the relativistic type was studied and, in the end, the accretion of cosmological fluids (dark energy and dark matter) onto a black hole is investigated. Due to spherical symmetry adopted, the formation of accretion disks is forbidden (both in the classical and relativistic case) and, thus, the problems related to disk physics (the formation and evolution) were not investigated. On the classical approach, the so called Bondi accretion is examined, in which the matter flux occurs according to a polytropic equation of state and the accretion itself is described by the Eulerian hydrodynamic. The existence of 6 possible families of solutions for the velocity field is identied and its physical consequences are thoroughly discussed. Only one of these solutions describes the accretion process in a physically consistent manner. The mass accretion rate is found to be constant, as expected duo to the steady-state hypothesis. The relativistic approach is completely based on the General Relativity Theory. In this case, the gravitational field of the central body is described by the Schwarzschild metric. The relativistic process also occurs in steady-state conditions and, therefore, the accretion flux also is constant. A particular interest is given to the accretion of cosmological fluids with a linear equation of state and of Chaplygin gas. Both the spacial behaviour of the fluids in the accretion dominated region and their cosmological evolution in farther regions are looked into individually. The mass of the central black hole\'s evolution is shown to occur in cosmological times. The Babichev (linear equation of state) and Chaplygin results were unied through a generalised equation of state. At last, it is also determined under which conditions the accretion of cosmological fluids can have astonishing effects on the black hole\'s mass.

O objetivo principal deste trabalho é estudar a interação dos buracos negros primordiais com as principais espécies físicas exóticas de matéria e energia que foram teorizadas para explicar as observações cosmológicas da última década. A interação com diferentes formas de energia escura a partir de campos escalares, como a energia phantom, e modelos de quartessência, como o gás de Chaplygin, associada a modelos já existentes de interação com espécies físicas mais bem conhecidas, fornece resultados importantes e sugere comportamentos inesperados na trajetória dos buracos negros primordiais desde a sua formação até os dias de hoje. Nossa análise abrange os aspectos dinâmicos e termodinâmicos da acreção e evaporação de buracos negros, explorando os limites de validade da teoria e estudando o comportamento sob as condições extremas que resultam desses novos modelos de matéria e energia. Finalmente, o estudo prossegue na direção de um modelo de evolução a partir diretamente das equações de campo, em um espaço-tempo totalmente dinâmico em que buscamos paralelos com as descrições provenientes das hipóteses simplificadoras sobre que nos baseamos durante os estágios anteriores. Os resultados permitem fazermos uma descrição unificada da evolução dos buracos negros, em que as relações entre todas as componentes são transparentes e suas contribuições individuais são facilmente identificadas. Associando-os à descrição termodinâmica, é possível traçar um quadro completo e abrangente do problema, capaz de acomodar novos modelos e prover uma compreensão profunda da interação dos buracos negros com o meio cosmológico. / We study the interaction between primordial black holes and the exotic dark matter and dark energy components which have been modeled to explain cosmological observations within the last decade. The interaction with different forms of scalar field dark energy, such as phantom energy, and quartessence models as the Chaplygin gas, together with the well-known interaction with the ordinary forms of matter and energy, provides important results and suggests unexpected behaviors on primordial black holes since their formation until the present time. Our analysis encompasses dynamical and thermodynamical aspects of black hole accretion and evaporation exploring the theory validity ranges and studying its behavior under the extreme conditions which arise from these new dark fluid models. Finally, our study progresses towards an evolution model based solely on the field equations, within a fully dynamical space-time in which we seek parallel descriptions with previous models, which use simplifying hypotheses. Our results provide a unified description of black hole evolution, in which the role of all components and their relation to each other are clear and easily identifiable. Along with the thermodynamical description, it is possible to make a comprehensive picture of the problem, capable of accommodating new models and furnish a deep understanding of black hole interaction with the cosmological environment.

Esta tese visa realizar um estudo acerca das freqüências quasinormais das p-branas negras utilizando um campo escalar de teste. No contexto da correspondência AdS/CFT estudamos alguns aspectos da formação de estados supercondutores na teoria de campos definida na borda do espaço-tempo de Gauss-Bonnet AdS d-dimensional. Apresentamos a derivação das soluções das p-branas negras, bem como a análise de sua estrutura causal. Revisamos o regime perturbativo da Relatividade Geral e a interpretação dos modos quasinormais de um buraco negro em termos dos elementos que compõem a correspondência AdS/CFT. Estudamos a evolução de um campo escalar sem massa na geometria das p-branas negras em detalhe, sendo que utilizamos o método semianalítico WKB e a integração característica (Problema de Goursat) para calcular as freqüências quasinormais correspondentes. Por fim, apresentamos uma expressão aproximada de um estado supercondutor na teoria de campos definida na borda do buraco negro de Gauss-Bonnet AdS através do dicionário AdS/CFT. / This thesis aims at studying the quasinormal frequencies of black p-branes using a scalar field in the probe limit. In the context of AdS/CFT correspondence we study some aspects regarding the formation of superconductor states in the field theory set on the AdS boundary of the Gauss-Bonnet AdS spacetime. We present the derivation of black p-brane solutions, as well as the analysis of its causal structure. We review the perturbative regime of General Relativity and the interpretation of the black hole quasinormal modes in terms of the correspondence AdS/CFT. We study the evolution of a massless scalar field in the geometry of black p-branes in detail, and we use the WKB method and the characteristic integration (Goursats problem) in order to calculate the corresponding quasinormal frequencies. Ultimately, we present an approximate expression for a superconductor state in the field theory defined in the AdS boundary of Gauss-Bonnet AdS spacetime.

Orientadores: Alberto Vazquez Saa, Amir Ordacgi Caldeira / Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Instituto de Física Gleb Wataghin / Made available in DSpace on 2018-08-21T19:06:37Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Santarelli_Raphael_D.pdf: 2666477 bytes, checksum: ddd17159cb8299eef7c96d47293f68ea (MD5) Previous issue date: 2012 / Resumo: O objetivo deste trabalho é testar a validade da Conjectura Fraca da Censura Cósmica em espaços-tempo com buracos negros. Essa conjectura foi proposta por Roger Penrose em 1969, e diz que singularidades resultantes de colapso gravitacional de matéria fisicamente razoável estão sempre envolvidas por um horizonte de eventos, ou seja, escondidas de um observador externo. Apesar de muitas evidências a favor dessa conjectura, ela nunca foi provada. Nossa meta é analisar se essa conjectura pode ser violada classicamente sob especificas circunstâncias. Começaremos com uma introdução ao assunto, apresentando os conceitos que nos serão úteis ao longo de nosso trabalho. Depois investigaremos os trabalhos anteriores na área, que visaram destruir o horizonte de eventos de um buraco negro, criando assim uma singularidade nua (visível), e consequentemente violando a conjectura. Por fim, apresentaremos nossos resultados, que podem ser divididos em duas partes: (i) generalização dos casos clássicos obtidos anteriormente, e demonstração, sob dadas condições, da violação da conjectura para um buraco negro de Kerr-Newman e (ii) análise da validade da conjectura para um buraco negro com cinco dimensões em um espaço-tempo assintoticamente AdS, dando assim uma contribuição para a correspondência AdS/CFT / Abstract: The aim of this work is to test the Weak Cosmic Censorship Conjecture in black holes. This conjecture was proposed by Roger Penrose in 1969, and it states that singularities arising from the gravitational collapse of physically reasonable matter are always involved by an event horizon, i.e., they are hidden from an external observer. Despite so much evidence in favor of this conjecture, it has never been proven. Our aim is to analyze if this conjecture can be violated classically under specific circumstances. We will start with an introduction to the subject, presenting the concepts that will be useful throughout the work. After that, we will investigate the previous studies in the field that tried to destroy the event horizon of a black hole, creating a naked (visible) singularity, and hence violating the conjecture. Lastly, we will present our results, which may be divided in two parts: (i) generalization of the classic cases previously obtained, and demonstration, under specific conditions, of the violation of the conjecture in a spacetime with a Kerr-Newman black hole and (ii) study of the validity of this conjecture with a five-dimensional rotating black hole in a asymptotically AdS spacetime, making a contribution to the AdS/CFT correspondence / Doutorado / Física / Doutor em Ciências

Orientador: Hugo Luis Fragnito / Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Instituto de Fisica Gleb Wataghin / Made available in DSpace on 2018-08-03T18:49:17Z (GMT). No. of bitstreams: 1 ArellanoEspinoza_WalterAmerico_D.pdf: 2222894 bytes, checksum: a714b4a44d2cd73602d4346be5b14675 (MD5) Previous issue date: 2003 / Resumo: Nesta tese apresentamos duas técnicas novas para o estudo de componentes ópticos, uma para a medida da dependência da transmitância (perda ou ganho) com a polarização (PDT, Polarization Dependent Transmittance) em componentes ópticos passivos e ativos, e a outra para medidas de formação de buracos espectrais (SHB, Spectral Hole Burning) em amplificadores a fibra dopada com Érbio (EDFA, Erbium Doped Fiber Amplifier). Com a técnica de PDT, realizamos estudos de ganho dependente com a polarização (PDG, Polarization Dependent Gain) para EDFAs montados em laboratório e comerciais assim como perdas dependentes com a polarização (PDL, Polarization Dependent Loss) em componentes passivos. Comparamos as características da nossa técnica com três técnicas tradicionais, sendo que nossa montagem experimental se mostra mais versátil e é a única que apresenta resposta transiente. Apresentamos nesta tese as respostas transientes de um EDFA (componente ativo) e de um acoplador (componente passivo) além de como calcular destes o PDG e a PDL. Apresentamos também outra técnica para caracterização de EDFAs que permite o estudo de formação de buracos espectrais (SHB) e que é baseada na diferença de dois espectros de emissão espontânea amplificada (ASE, Amplified Spontaneous Emission). Mostramos que nossa técnica apresenta resultados similares com uma outra técnica tradicional conhecida como diferença de ganho, sendo a nossa mais versátil e rápida para apresentar resultados / Abstract: We present two novel techniques for optical devices: the first one is for Polarization Dependent Transmission (PDT) measurements in passive or active optical components. The second is a new method for the detection of Spectral Hole Burning (SHB). Both techniques are demonstrated in Erbium Doped Fibers Amplifiers (EDFAs). Using or PDT technique we studied the polarization dependent gain (PDG) in home-made and commercial EDFAs. Compared with other conventional techniques, our method is simpler, versatile, and unique in presenting transient PDG responses. From the transient PDG response of the EDFA we obtain the necessary parameters for PDG characterization. The second technique for EDFAs characterization developed in this thesis allows for studies of spectral hole burning (SHB) and is based on Amplified Spectrum Emissions (ASE). Our technique, compared with other conventional techniques, is extremely simpler and faster, and gives highly reproducible, consistent results / Doutorado / Física / Doutor em Ciências