Charged or rotating black holes possess an inner horizon beyond which determinism is lost. However, the strong cosmic censorship conjecture claims that even small perturbations will turn the horizon into a singularity beyond which the spacetime is inextendible, preventing the loss of determinism. Motivated by this conjecture, this dissertation studies free scalar quantum fields on various black-hole spacetimes to test whether quantum effects can lead to the formation of a singularity at the inner horizon in cases where classical perturbations cannot. The starting point is the investigation of the behaviour of real-scalar-field observables near the inner horizon of Reissner-Nordström-de Sitter spacetimes. Using semi-analytical methods, we find that quantum effects can indeed uphold the censorship conjecture. Subsequently, we consider charged scalar fields on the same spacetime and observe that a first-principle calculation is essential to accurately describe the quantum effects at the inner horizon. As a first step towards an extension of these results to rotating black holes, we rigorously construct the Unruh state for the real scalar field on slowly rotating Kerr-de Sitter spacetimes. We show that it is a well-defined Hadamard state and can therefore be used to compute expectation values of the stressenergy tensor and other non-linear observables.:1 Introduction 7 2 An introduction to quantum fields and black holes 13 2.1 Notations and conventions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13 2.2 A brief introduction to AQFT . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15 2.3 An introduction to microlocal analysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24 2.4 An introduction to black-hole spacetimes . . . . . . . . . . . . . . . . . 28 2.4.1 The Reissner-Nordström-de Sitter spacetime . . . . . . . . . . . 28 2.4.2 The Kerr-de Sitter spacetime . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32 2.5 Free scalar fields in black-hole spacetimes . . . . . . . . . . . . . . . . . 37 3 Computing the energy flux of the real scalar field 43 3.1 Strong cosmic censorship on RNdS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43 3.2 The Klein-Gordon equation on RNdS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45 3.3 Extension to the charged scalar field on RNdS . . . . . . . . . . . . . . . 52 3.4 The energy flux at the Cauchy horizon . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53 4 The charged scalar field in Reissner-Nordström-de Sitter 63 4.1 The Unruh state for the charged scalar field . . . . . . . . . . . . . . . . 65 4.2 The renormalized current . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72 4.3 The current in the Unruh state - numerical results . . . . . . . . . . . . . 80 4.4 The charged scalar field at the inner horizon . . . . . . . . . . . . . . . . 86 5 The Unruh state on Kerr-de Sitter 97 5.1 Null geodesics in the Kerr-de Sitter spacetime . . . . . . . . . . . . . . . 98 5.2 The Unruh state on Kerr-de Sitter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107 5.3 The Hadamard property of the Unruh state . . . . . . . . . . . . . . . . . 120 5.3.1 The Hadamard condition in O . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123 5.3.2 The Hadamard condition on M\O . . . . . . . . . . . . . . . . . 128 6 Summary and discussion 139 A Bibliography 143

Submitted by RODRIGO DE CASTRO LIMA null (castro.lima.rodrigo@gmail.com) on 2017-03-21T14:21:46Z No. of bitstreams: 1 Dissertação Rodrigo.pdf: 1498013 bytes, checksum: 43cddf583f4f6c01f01e4ada8c8e38bd (MD5) / Approved for entry into archive by Luiz Galeffi (luizgaleffi@gmail.com) on 2017-03-22T14:43:07Z (GMT) No. of bitstreams: 1 lima_rc_me_guara.pdf: 1498013 bytes, checksum: 43cddf583f4f6c01f01e4ada8c8e38bd (MD5) / Made available in DSpace on 2017-03-22T14:43:07Z (GMT). No. of bitstreams: 1 lima_rc_me_guara.pdf: 1498013 bytes, checksum: 43cddf583f4f6c01f01e4ada8c8e38bd (MD5) Previous issue date: 2017-02-21 / Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES) / O campo espinorial ELKO associado às partículas de matéria de spin 1/2 e dimensão de massa 1, construídos em um conjunto completo de autoespinores de helicidade dual do operador conjugação de carga, é um canditado a descrever a matéria escura. Devido a sua natureza, possui diversas aplicações cosmológicas. Neste trabalho, o estudo de tais espinores é realizado sob universo de Friedmann-Robertson-Walker plano, homogênio e isotrópico. À luz da Teoria Quântica de Campos em Espaços-Tempo Curvos, com as transformações de Bogoliubov, obteve-se a densidade de partículas criadas em uma métrica modelo de regime assintóticamente plano no passado e no futuro, permitindo-se comparar com soluções exatas presentes na literatura para produção de partículas escalares e férmions de Dirac. Discute- se, também, a compatibilidade do fenômeno de criação de partículas provenientes da Teoria Quântica de Campos em Espaço Curvos com os estudos de Prigogine para descrição deste fenômeno à escala cosmológica, considerando-se um universo termodinamicamente aberto. / The ELKO spinor field associated with spin 1/2 particles and mass dimension 1, con- structed on a complete set of dual helicity eigenspinors of the charge conjugation operator, is a candidate for describing dark matter. Due to its nature, it has several cosmological applications. In this work, the study of such spinors is performed under a homogenous and isotropic Friedmann-Robertson-Walker universe. In the light of the Quantum Field Theory in Curved Space-Time, with the Bogoliubov transformations, we obtained the density of particles created in a model of asymptotically plane metric in the past and in the future, allowing to compare with exact solutions present in the literature for the production of scalar particles and Dirac fermions. It is also discussed the compatibility of the phenomenon of particle creation from the Quantum Field Theory in Curved Space with the studies of Prigogine to describe this phenomenon at the cosmological scale, considering a thermodynamically open universe.

Orientador: Prof. Dr. André Gustavo Scagliusi Landulfo / Dissertação (mestrado) - Universidade Federal do ABC, Programa de Pós-Graduação em Física, 2017. / A descoberta do comportamento termodinâmico de buracos negros no contexto da teoria quântica de campos em espaços-tempos curvos deu origem a diversas questões, dentre elas onde estão e quais são os graus de liberdade associados a entropia dos mesmos. Nessa dissertação estudamos esse tópico propondo que, se não toda, alguma parte desta entropia é devida ao emaranhamento entre os graus de liberdade, internos e externos ao buraco, dos campos quânticos presentes no espaço-tempo. / The discovery of thermodynamic behavior of black holes in the context of quantum field theory in curved spacetimes has given rise to several issues, among them where and what are the degrees of freedom associated to their entropy. In this dissertation we study this topic proposing that, if not all, some of this entropy is due to the entanglement between degrees of freedom, internal and external to the hole, of quantum fields present in the spacetime.

Orientador: Prof. Dr. André Gustavo Scagliusi Landulfo / Dissertação (mestrado) - Universidade Federal do ABC, Programa de Pós-Graduação em Física, Santo André, 2018. / Nas últimas décadas, pesquisas na área de física de buracos negros mostraram que existe uma relação profunda entre buracos negros, termodinâmica e mecânica quântica. Em particular, buracos negros em um contexto semiclássico parecem possuir uma temperatura TH=k/2p e uma entropia Sbh =A/4, proporcionais à sua gravidade superficial k e à sua área A, respectivamente. Essa surpreendente conexão é reforçada ao analisarmos a validade da chamada Segunda Lei Generalizada da Termodiâmica (SLG), que afirma que a entropia da matéria fora do buraco negro somada à entropia do buraco negro nunca decresce com o tempo. Este trabalho investiga provas gerais da validade da Segunda Lei Generalizada, já que tem um papel central na interpretação de buracos negros como entidadestermodinâmicas. Emseguida, é analisado como podemos usar a SLG para extender um teorema clássico de singularidade para um contexto semiclássico. / In the past few decades, research in black hole physics have shown a deep relation between black holes, thermodynamics, and quantum mechanics. In particular, blackholes in a semiclassical context appear to have a temperatureTH =k/2p and an entropy Sbh = A/4 proportional to its surface gravity k and area A,respectively. This striking connection is strengthened when one analyses the validity of the so called Generalized Second Law of Thermodynamics (GSL), which states that the entropy of matter outside the black hole plus the black hole¿s entropy never decrease with time. This work investigate general proofsofthevalidityofGeneralizedSecondLaw,sinceitplaysacentralroleininterpreting black holes as thermodynamical entities. In addition, it is analyzed how the GSL can be used to extend a classical singularity theorem to a semiclassical context.

In 1981, Unruh suggested the possibility of simulating the dynamics of quantum fields in curved spacetimes using sound-waves propagating in moving fluids: a supersonic flow would indeed influence the dynamics of sound similarly to what happens to light when it’s dragged by the spacetime geometry in strong gravity environments. This simple yet groundbreaking observation has lead to the beginning of a whole new field of research, nowadays known as Analog Gravity. Due to their superfluid character, intrinsic quantum nature and impressive experimental tunability, Bose-Einstein condensates represent one of the most promising platforms to realize analog spacetimes, including black-hole geometries with horizons and ergoregions, as well as of time-dependent configurations relevant to cosmology. In this Thesis we go beyond the standard single-component BEC and focus on two-component mixtures of atomic condensates, possibly in the presence of a coherent coupling between the two-components: the availability of various branches of elementary excitations with different sound speed and effective mass may in fact lead to advantages in the implementation of interesting geometries and, eventually, to the exploration of a broader spectrum of physical processes. We first consider black-hole related phenomena (Hawking radiation and rotational superradiance) that have already been analysed with single-component systems, generalising the results to mixtures; we then proceed to tackle a problem (the decay from the false vacuum) which instead requires the additional degrees of freedom that only a mixture displays.

Elaboramos um estudo detalhado de alguns aspectos d(e uma versão d)a correspondência AdS/CFT, conjeturada por Maldacena e Witten, entre teorias quânticas de campo num fundo gravitacional dado por um espaço-tempo assintoticamente anti-de Sitter (AAdS), e teorias quânticas de campos conformalmente covariantes no infinito conforme (no sentido de Penrose) deste espaço-tempo, aspectos estes: (a) independentes d(o par d)e modelos específicos em Teoria Quântica de Campos, e (b) suscetíveis a uma reformulação em moldes matematicamente rigorosos. Adotamos como ponto de partida o teorema demonstrado por Rehren no contexto da Física Quântica Local (também conhecida como Teoria Quântica de Campos Algébrica) em espaços-tempos anti-de Sitter (AdS), denominado holografia algébrica ou dualidade de Rehren. O corpo do presente trabalho consiste em estender o resultado de Rehren para uma classe razoavelmente geral de espaços-tempos AAdS d-dimensionais (d>3), escrutinar como as propriedades desta extensão são enfraquecidas e/ou modificadas em relação ao espaço-tempo AdS, e como efeitos gravitacionais não-triviais se manifestam na teoria quântica no infinito conforme. Dentre os resultados obtidos, citamos: condições razoavelmente gerais sobre geodésicas nulas no interior (cuja plausibilidade justificamos por meio de resultados de rigidez geométrica) não só garantem que a nossa generalização é geometricamente consistente com causalidade, como também permite uma reconstrução ``holográfica\'\' da topologia do interior na ausência de horizontes e singularidades; a implementação das simetrias conformes na fronteira, que associamos explicitamente a uma família de isometrias assintóticas do interior construída de maneira intrínseca, ocorre num caráter puramente assintótico e é atingida dinamicamente por um processo de retorno ao equilíbrio, mediante condições de contorno adequadas no infinito; efeitos gravitacionais podem eventualmente causar obstruções à reconstrução da teoria quântica no interior, ou por torná-la trivial em regiões suficientemente pequenas ou devido à existência de múltiplos vácuos inequivalentes, que por sua vez levam à existência de excitações solitônicas localizadas ao redor de paredes de domínio no interior, similares a D-branas. As demonstrações fazem uso extensivo de geometria Lorentziana global. A linguagem empregada para as teorias quânticas relevantes para nossa generalização da dualidade de Rehren segue a formulação funtorial de Brunetti, Fredenhagen e Verch para a Física Quântica Local, estendida posteriormente por Sommer para incorporar condições de contorno. / We elaborate a detailed study of certain aspects of (a version of) the AdS/CFT correspondence, conjectured by Maldacena and Witten, between quantum field theories in a gravitational background given by an asymptotically anti-de Sitter (AAdS) spacetime, and conformally covariant quantum field theories in the latter\'s conformal infinity (in the sense of Penrose), aspects such that: (a) are independent from (the pair of) specific models in Quantum Field Theory, and (b) susceptible to a recast in a mathematically rigorous mould. We adopt as a starting point the theorem demonstrated by Rehren in the context of Local Quantum Physics (also known as Algebraic Quantum Field Theory) in anti-de Sitter (AdS) spacetimes, called algebraic holography or Rehren duality. The main body of the present work consists in extending Rehren\'s result to a reasonably general class of d-dimensional AAdS spacetimes (d>3), scrutinizing how the properties of such an extension are weakened and/or modified as compared to AdS spacetime, and probing how non-trivial gravitational effects manifest themselves in the conformal infinity\'s quantum theory. Among the obtained results, we quote: not only does the imposition of reasonably general conditions on bulk null geodesics (whose plausibility we justify through geometrical rigidity techniques) guarantee that our generalization is geometrically consistent with causality, but it also allows a ``holographic\'\' reconstruction of the bulk topology in the absence of horizons and singularities; the implementation of conformal symmetries in the boundary, which we explicitly associate to an intrinsically constructed family of bulk asymptotic isometries, have a purely asymptotic character and is dynamically attained through a process of return to equilibrium, given suitable boundary conditions at infinity; gravitational effects may cause obstructions to the reconstruction of the bulk quantum theory, either by making the latter trivial in sufficiently small regions or due to the existence of multiple inequivalent vacua, which on their turn lead to the existence of solitonic excitations localized around domain walls, similar to D-branes. The proofs make extensive use of global Lorentzian geometry. The language employed for the quantum theories relevant for our generalization of Rehren duality follows the functorial formulation of Local Quantum Physics due to Brunetti, Fredenhagen and Verch, extended afterwards by Sommer in order to incorporate boundary conditions. (An English translation of the full text can be found at arXiv:0712.0401)

Elaboramos um estudo detalhado de alguns aspectos d(e uma versão d)a correspondência AdS/CFT, conjeturada por Maldacena e Witten, entre teorias quânticas de campo num fundo gravitacional dado por um espaço-tempo assintoticamente anti-de Sitter (AAdS), e teorias quânticas de campos conformalmente covariantes no infinito conforme (no sentido de Penrose) deste espaço-tempo, aspectos estes: (a) independentes d(o par d)e modelos específicos em Teoria Quântica de Campos, e (b) suscetíveis a uma reformulação em moldes matematicamente rigorosos. Adotamos como ponto de partida o teorema demonstrado por Rehren no contexto da Física Quântica Local (também conhecida como Teoria Quântica de Campos Algébrica) em espaços-tempos anti-de Sitter (AdS), denominado holografia algébrica ou dualidade de Rehren. O corpo do presente trabalho consiste em estender o resultado de Rehren para uma classe razoavelmente geral de espaços-tempos AAdS d-dimensionais (d>3), escrutinar como as propriedades desta extensão são enfraquecidas e/ou modificadas em relação ao espaço-tempo AdS, e como efeitos gravitacionais não-triviais se manifestam na teoria quântica no infinito conforme. Dentre os resultados obtidos, citamos: condições razoavelmente gerais sobre geodésicas nulas no interior (cuja plausibilidade justificamos por meio de resultados de rigidez geométrica) não só garantem que a nossa generalização é geometricamente consistente com causalidade, como também permite uma reconstrução ``holográfica\'\' da topologia do interior na ausência de horizontes e singularidades; a implementação das simetrias conformes na fronteira, que associamos explicitamente a uma família de isometrias assintóticas do interior construída de maneira intrínseca, ocorre num caráter puramente assintótico e é atingida dinamicamente por um processo de retorno ao equilíbrio, mediante condições de contorno adequadas no infinito; efeitos gravitacionais podem eventualmente causar obstruções à reconstrução da teoria quântica no interior, ou por torná-la trivial em regiões suficientemente pequenas ou devido à existência de múltiplos vácuos inequivalentes, que por sua vez levam à existência de excitações solitônicas localizadas ao redor de paredes de domínio no interior, similares a D-branas. As demonstrações fazem uso extensivo de geometria Lorentziana global. A linguagem empregada para as teorias quânticas relevantes para nossa generalização da dualidade de Rehren segue a formulação funtorial de Brunetti, Fredenhagen e Verch para a Física Quântica Local, estendida posteriormente por Sommer para incorporar condições de contorno. / We elaborate a detailed study of certain aspects of (a version of) the AdS/CFT correspondence, conjectured by Maldacena and Witten, between quantum field theories in a gravitational background given by an asymptotically anti-de Sitter (AAdS) spacetime, and conformally covariant quantum field theories in the latter\'s conformal infinity (in the sense of Penrose), aspects such that: (a) are independent from (the pair of) specific models in Quantum Field Theory, and (b) susceptible to a recast in a mathematically rigorous mould. We adopt as a starting point the theorem demonstrated by Rehren in the context of Local Quantum Physics (also known as Algebraic Quantum Field Theory) in anti-de Sitter (AdS) spacetimes, called algebraic holography or Rehren duality. The main body of the present work consists in extending Rehren\'s result to a reasonably general class of d-dimensional AAdS spacetimes (d>3), scrutinizing how the properties of such an extension are weakened and/or modified as compared to AdS spacetime, and probing how non-trivial gravitational effects manifest themselves in the conformal infinity\'s quantum theory. Among the obtained results, we quote: not only does the imposition of reasonably general conditions on bulk null geodesics (whose plausibility we justify through geometrical rigidity techniques) guarantee that our generalization is geometrically consistent with causality, but it also allows a ``holographic\'\' reconstruction of the bulk topology in the absence of horizons and singularities; the implementation of conformal symmetries in the boundary, which we explicitly associate to an intrinsically constructed family of bulk asymptotic isometries, have a purely asymptotic character and is dynamically attained through a process of return to equilibrium, given suitable boundary conditions at infinity; gravitational effects may cause obstructions to the reconstruction of the bulk quantum theory, either by making the latter trivial in sufficiently small regions or due to the existence of multiple inequivalent vacua, which on their turn lead to the existence of solitonic excitations localized around domain walls, similar to D-branes. The proofs make extensive use of global Lorentzian geometry. The language employed for the quantum theories relevant for our generalization of Rehren duality follows the functorial formulation of Local Quantum Physics due to Brunetti, Fredenhagen and Verch, extended afterwards by Sommer in order to incorporate boundary conditions. (An English translation of the full text can be found at arXiv:0712.0401)