A colisão de buracos negros é uma das fontes mais importantes de ondas gravitacionais e, em geral, a emissão anisotrópica da radiação causa um recuo do objeto final. Este cenário já é conhecido há décadas, mas foi somente com o recente avanço na relatividade numérica que as velocidades finais dos objetos radiantes foram computadas com precisão. Os valores encontrados podem ser altos o suficiente para exercerem um importante papel no crescimento de buracos negros super massivos via coleção de galáxias e na abundância de núcleos galáticos ativos contendo buracos negros. Este é um autêntico efeito da não linearidade de Relatividade Geral e esta tese fornece uma nova metodologia estudar alguns aspectos da dinâmica da colisão de buracos negros. Consideramos o horizonte como uma tela canônica que codifica as informações da evolução temporal do espaço-tempo. Com esta hipótese, fenômenos como o anti-kick, isto é, uma súbita desaceleração do sistema antes de atingir a velocidade final, são explicado em termos da dissipação das deformações do horizonte. Estudamos primeiramente o Espaço-tempo de Robinson-Trautman. Uma das solução mais simples das equações de Einstein, esta métrica nos fornece um poderoso modelo para investigar tanto a perda de massa quanto o recuo do objeto final. Mostramos que, quando as configurações iniciais tem simetria especular, a massa do buraco negro remanescente e a energia irradiada são completamente determinadas pela condição inicial. Com isso, obtemos as expressões analíticas dos resultados numéricos obtidos anteriormente na literatura. Além disto, com o auxilio do método espectral de Galerkin, analisamos o regime não linear das equações envolvidas e verificamos que se pode estimar a velocidade de recuo final com boa precisão a partir de medidas da assimetria da condição inicial. Introduzimos na seqüência a curvatura efetiva como uma medida das deformações intrínsecas ao horizonte. Além de considerar as deformações gerais, ela também inclui as diferenças entre os hemisférios norte e sul. No espaço-tempo de Robinson-Trautman, essa quantidade se correlaciona de uma forma injetora com a velocidade final. Para superar algumas limitações dessa solução, aplicamos o mesmo procedimento nos resultados da simulação numérica de uma colisão head-on. Neste caso, a curvatura efetiva, está na realidade, correlacionada com a aceleração do sistema. Refinamentos e generalizações desta técnica são também discutidos e propostos para trabalhos futuros. / Colliding black holes are one of the most important sources of gravitational waves and the anisotropic emission of the radiation generally causes the recoil of the final hole. This scenario has been known for decades, but it is only thanks to the recent progress in numerical relativity that the final velocity have been accurately computed. The values found can be large enough to play an important role in the growth of supermassive black holes via mergers of galaxies and on the number of galaxies containing them. This is a genuine nonlinear effect of general relativity and this thesis provides a new methodology to study some features on the dynamics of the collision. We propose that the horizon is a canonical screen, which encodes he information of its surroundings. With this assumption, phenomena such as the anti-kick, namely the sudden deceleration before reaching the final velocity, are explained in terms of the dissipation of the horizons deformation. We first study the Robinson-Trautman spacetime. One of the simplest solutions of Einsteins equations, it provides us with a powerful toymodel to investigate both the mass loss of the system and the recoil of the final object. We show that, for the case of reflectionsymmetric initial configurations, the mass of the remnant black-hole and the total energy radiated away are completely determined by the initial data, allowing us to obtain analytical expressions for some numerical results that had appeared in the literature. Moreover, by using the Galerkin spectral method to analyze the non-linear regime of the equations involved, we found that the recoil velocity can be estimated with good accuracy from some symmetry measures of the initial data. Then we introduce the effective urvature as a measure of intrinsic deformations on the horizon. Not only does it account for overall deformation, but also for the differences on the north and south hemispheres. In the Robinson-Trautman spacetime, this quantity correlates in an injective way with the final velocity. To overcome some caveats of this solutions, we apply the same procedure to the results given by numerical simulations of a head-on collision. In the case, the effective curvature is actually correlated with the acceleration of the system. Further improvement and generalizations of this technic is also discussed and proposed for future work.

The present-day interest in gravitational waves, justified by the recent direct detections made by LIGO, is opening the exciting possibility to answer many questions regarding General Relativity in extreme situations. One of these questions is whether black hole are – indeed – described totally by their mass, charge and angular momentum or whether they can have additional long-range hair. This project is concerned with this question. We aim at studying the influence of additional structure on the black hole horizon in the form of long-range hair by studying linearized Einstein equation the solutions when perturbed. More precisely, we will study the Schwarzschild solution, pierced by an infinitely long and thin cosmic string such that the space-time possesses a global deficit angle. Quasi-normal modes are believed to dominate the gravitational wave emission during the ring down phase of an excited black hole that would e.g. be the result of a merger of two ultra-compact objects, therefore linearized perturbations can be considered. With the advent of gravitational wave astronomy the proposed study will be very important when reconstructing the source of the detected gravitational wave signals. / O atual interesse em ondas gravitacionais, justificado pelas detecções diretas feitas pela colaboração LIGO recentemente, está abrindo a excitante possibilidade de responder várias questões a respeito da Relatividade Geral em condições estremas. Uma dessas questões é se buracos negros são – realmente – totalmente discritos apenas por sua massa, carga e momento angular ou se eles podem ter os chamados cabelos de longo alcance adicionais. Nosso projeto se preocupa em responder esta pergunta. Nosso objetivo está em estudar a influência de uma estrutura adicional no horizonte de eventos de um buraco negro através do comportamento da equação linearizada de Einstein quando a solução é perturbada. Mais precisamente, nós estudaremos a solução de Schwarzschild atravessada por uma corda cósmica infinitamente fina, tal corda faz com que o espaço-tempo tenha um hiato angular em seu plano equatorial. Acredita-se que modos quasi-normais dominem a emissão de ondas gravitacionais durante a fase de ringing down de buracos negros excitados que podem, por exemplo, se originar da colisão de objetos ultra compactos, portanto perturbações lineares podem ser consideradas. Com o advento da astronomia através de ondas gravitacionais o estudo proposto será importante para que se possa reconstruir a origem de sinais detectados.

Mapas simpléticos são bem conhecidos por preservarem o volume do espaço de fase em dinâmica Hamiltoniana e são particularmente apropriados para problemas que requerem longos tempos de integração. Nesta tese nós desenvolvemos abordagens baseadas em mapas simpléticos para o acoplamento de multi sub-sistemas/domínios astrofísicos/códigos de simulação, para integração eficiente de sistemas de N-corpos auto-gravitantes com grandes variações nas escalas de tempo características. Nós estabelecemos uma família de 48 novos mapas simpléticos baseados numa separação Hamiltoniana recursiva, que permite que o acoplamento ocorra de uma maneira hierárquica, contemplando assim todas as escalas de tempo das interações envolvidas. Nossa formulação é geral o suficiente para permitir que tal método seja utilizado como receita para combinar diferentes fenômenos físicos, que podem ser modelados independentemente por códigos especializados. Nós introduzimos também uma separação Hamiltoniana baseada em Hamiltonianos de Kepler, para resolver o problema gravitacional geral de N-corpos como uma composição de N2 problemas de 2-corpos. O método resultante é exato para cada problema de 2-corpos individual e produz resultados rápidos e precisos para sistemas de N-corpos quase- Keplerianos, como sistemas planetários ou um aglomerado de estrelas que orbita um buraco-negro supermassivo. O método é também apropriado para integração de sistemas de N-corpos com hierarquias intrínsecas, como um aglomerados de estrelas com binárias compactas. Nós apresentamos a implementação dos algoritmos mencionados e descrevemos o nosso código tupan, que está publicamente disponível na seguinte url: https://github.com/ggf84/tupan. / Symplectic maps are well know for preserving the phase space volume in Hamiltonian dynamics and are particularly suited for problems that require long integration times. In this thesis we develop approaches based on symplectic maps for the coupling of multi sub-systems/astrophysics domains/simulation codes for efficient integration of self-gravitating N-body systems with large variation in characteristic time-scales. We establish a family of 48 new symplectic maps based on a recursive Hamiltonian splitting, which allow the coupling to occur in a hierarchical manner, thus contemplating all time-scales of the involved interactions. Our formulation is general enough to allow that such method be used as a recipe to combine different physical phenomena which can be modeled independently by specialized simulation codes. We also introduce a Keplerian-based Hamiltonian splitting for solving the general gravitational Nbody problem as a composition of N2 2-body problems. The resulting method is precise for each individual 2-body solution and produces quick and accurate results for near-Keplerian N-body systems, like planetary systems or a cluster of stars that orbit a supermassive black-hole. The method is also suitable for integration of N-body systems with intrinsic hierarchies, like a star cluster with compact binaries. We present the implementation of the mentioned algorithms and describe our code tupan, which is publicly available on the following url: https://github.com/ggf84/tupan.

FundaÃÃo Cearense de Apoio ao Desenvolvimento Cientifico e TecnolÃgico / Wormholes sÃo estruturas exÃticas que podem ligar regiÃes longÃnquas do espaÃo e por isso sÃo bastante visados como objeto de pesquisa. Pode-se mostrar que buracos negros possuem modos de vibraÃÃo amortecidos, os chamados de modos quase-normais. Esses modos sÃo responsÃveis por irradiar as ondas gravitacionais para espaÃo. Isso se deve ao fato de pequenas perturbaÃÃes na mÃtrica poderem ser descritas pelas equaÃÃes de Einstein, em forma de equaÃÃes de onda. Esse comportamento à semelhante para wormholes, onde devemos encontrar um potencial de Regge-Wheeler associado a equaÃÃo de onda. Nosso objetivo nesse trabalho serà tentar ver se à possÃvel encontrarmos um potencial do tipo Regge-Wheeler para um wormhole, que se supÃem ser sustentado pela matÃria escura na regiÃo dos halos galÃcticos. E por consequÃncia, verificarmos se à possÃvel determinar modos quase-normais usando o mÃtodo WKB, para esse wormhole em particular. / Wormholes are exotic structures that can connect distant regions of space and therefore are highly targeted as a research object. It can be shown that black holes have damped vibration modes, The so-called quasi-normal modes. These modes are responsible for radiating gravitational waves to space. This is due to the fact that small disturbances in the metric can be described by Einsteinâs equations, in the form of wave equations. This behavior is similar for wormholes, where we must find a Regge-Wheeler potential associated with the wave equation. Our goal in this work will be to see if it is possible to find Regge-Wheeler potential for a wormhole, Which are supposed to be sustained by dark matter in the region of galactic halos. And consequently, Verify if it is possible to determine quasi-normal modes using the WKB method, for that particular wormhole.

OLIVEIRA, R. dos. Wormhole do halo central da galáxia e modos quase-normais. 2017. 79 f. Dissertação (Mestrado em Física) – Centro de Ciências, Universidade Federal do Ceará, Fortaleza, 2017. / Submitted by Giordana Silva (giordana.nascimento@gmail.com) on 2017-04-12T22:32:15Z No. of bitstreams: 1 2017_dis_roliveira.pdf: 2016508 bytes, checksum: b13e51c1946445379ebd0aa6da75f18b (MD5) / Approved for entry into archive by Giordana Silva (giordana.nascimento@gmail.com) on 2017-04-12T22:32:44Z (GMT) No. of bitstreams: 1 2017_dis_roliveira.pdf: 2016508 bytes, checksum: b13e51c1946445379ebd0aa6da75f18b (MD5) / Made available in DSpace on 2017-04-12T22:32:44Z (GMT). No. of bitstreams: 1 2017_dis_roliveira.pdf: 2016508 bytes, checksum: b13e51c1946445379ebd0aa6da75f18b (MD5) Previous issue date: 2017 / Wormholes are exotic structures that can connect distant regions of space and therefore are highly targeted as a research object. It can be shown that black holes have damped vibration modes, The so-called quasi-normal modes. These modes are responsible for radiating gravitational waves to space. This is due to the fact that small disturbances in the metric can be described by Einstein’s equations, in the form of wave equations. This behavior is similar for wormholes, where we must find a Regge-Wheeler potential associated with the wave equation. Our goal in this work will be to see if it is possible to find Regge-Wheeler potential for a wormhole, Which are supposed to be sustained by dark matter in the region of galactic halos. And consequently, Verify if it is possible to determine quasi-normal modes using the WKB method, for that particular wormhole. / Wormholes são estruturas exóticas que podem ligar regiões longínquas do espaço e por isso são bastante visados como objeto de pesquisa. Pode-se mostrar que buracos negros possuem modos de vibração amortecidos, os chamados de modos quase-normais. Esses modos são responsáveis por irradiar as ondas gravitacionais para espaço. Isso se deve ao fato de pequenas perturbações na métrica poderem ser descritas pelas equações de Einstein, em forma de equações de onda. Esse comportamento é semelhante para wormholes, onde devemos encontrar um potencial de Regge-Wheeler associado a equação de onda. Nosso objetivo nesse trabalho será tentar ver se é possível encontrarmos um potencial do tipo Regge-Wheeler para um wormhole, que se supõem ser sustentado pela matéria escura na região dos halos galácticos. E por consequência, verificarmos se é possível determinar modos quase-normais usando o método WKB, para esse wormhole em particular.