Agujeros negros astrofísicos

Tesis

Resumen *

En la presente tesis estudiamos diversos procesos asociados conagujeros negros astrofísicos; en particular, la estructura interna de losagujeros negros, la naturaleza de la entropía gravitacional, el procesode acreción de materia por agujeros negros en régimen de campofuerte y sistemas binarios de agujeros negros supermasivos. Analizamostambién el rol de los agujeros negros en la caracterización de laSegunda Ley de la Termodinámica e implicaciones de los agujerosnegros para teorías sobre la naturaleza del espacio-tiempo. Por últimoindagamos sobre la existencia misma de estos objetos y la posibilidadde que sistemas dinámicos en colapso puedan simular todas laspropiedades que solemos atribuir a los agujeros negros estáticos.En lo que respecta a la estructura interna de los agujeros negros,analizamos las propiedades termodinámicas de un modelo para elinterior de un agujero negro regular estático y esféricamente simétrico.Obtenemos las ecuaciones para las cantidades termodinámicas válidaspara un perfil de densidad arbitrario. A partir de estas ecuaciones mostramosque el modelo es termodinámicamente inestable. Asimismo,presentamos un análisis donde se pone en evidencia la inestabilidaddinámica del fluido.Indagamos en la naturaleza de la entropía gravitacional mediante elanálisis de dos estimadores clásicos basados en escalares construidosa partir del tensor de Weyl. Calculamos el primer estimador paraagujeros negros de Reissner-Nordström, Kerr, Kerr-Newman, paraun modelo particular de agujero de gusano y agujero negro regularestudiado anteriormente. Para el caso del segundo estimador, calculamosla densidad de energía gravitacional, la temperatura gravitacionaly la entropía gravitacional en el espacio-tiempo de Kerr. En amboscasos, comparamos los resultados obtenidos para los distintos espaciotiemposcon la correspondiente entropía de Bekenstein-Hawking paradeterminar cuál de los estimadores representa mejor el comportamientoesperado para la entropía del campo gravitacional de los agujerosnegros.En el marco de teorías alternativas de la gravitación, calculamosla distribución espectral de energía de discos de acreción entorno aagujeros negros de f(R)-Schwarzschild y f(R)-Kerr. Además utilizamosdatos recientes de la binaria de gran masa Cygnus X-1 para limitarlos valores de los parámetros de una clase de modelos con gravedaddescripta por una teoría f(R).Analizamos, también, las propiedades radiativas de un sistemabinario de agujeros negros supermasivos, suponiendo que el agujeronegro primario lanza un jet relativista y que debido a los torquesejercidos por el agujero negro secundario, una zona de vaciamiento(gap) anular aparece en el disco de acreción. Calculamos el espectromodificado de radiación del disco teniendo en cuenta los efectos decampo gravitacional fuerte en la región más interna del mismo. Por otro lado, investigamos si la interacción de los electrones relativistascon los fotones emitidos por el disco de acreción inducen algún tipode característica peculiar en la distribución espectral de energía del jetque permita identificar la presencia de un agujero negro secundario.Proponemos que el apantallamiento de cargas por horizontes cosmológicos,para modelos de universo en expansión acelerada, y porhorizontes de eventos, para modelos cosmológicos de Friedmann (i.e.sin expansión acelerada) determina, localmente, una dirección preferencialpara el flujo de energía electromagnética. En el caso de modeloscosmológicos de Friedmann calculamos el crecimiento del horizontede eventos debido tanto a la expansión cosmológica como a la acreciónde fotones del fondo cósmico de radiación. Definimos un factor dellenado como el cociente entre el área total del horizonte de eventos yel área de una hipersuperficie radial co-móvil tipo espacio, y encontramosque este factor es mayor a 1 para los modelos de Friedmannplano, abierto y cerrado. Esto implica que para cualquier evento delespacio-tiempo su pasado y futuro causal no son simétricos, dandolugar a un flujo de Poynting neto en la dirección global futura; estoúltimo está a su vez relacionado con el hecho de que la entropía termodinámicasiempre crece. Por último, exponemos una conexión entrelas cuatro flechas del tiempo distintas: cosmológica, electromagnética,gravitacional, y termodinámica.En relación a las implicaciones de los agujeros negros para teoríasdel espacio-tiempo, se confronta la tesis del presentismo con físicarelativista, en el límite de régimen de campo gravitacional fuerte quees donde tiene lugar la formación de agujeros negros. Concluimos quela posición del presentista no es compatible con la existencia de losagujeros negros y otros objetos compactos en el universo. Una revisiónde dicha tesis es necesaria, si pretende ser consistente con la visióncientífica actual del universo.Investigamos la posible existencia de una situación donde el colapsogravitacional sea revertido antes de la aparición de un horizontede eventos, generándose objetos astronómicos cuyas característicassean indistinguibles de los agujeros negros estáticos sobre escalastemporales mayores que el tiempo de Hubble. Para ello resolvemoslas ecuaciones de campo de Einstein para una nube en colapso gravitacional.La ecuación de estado se comporta como materia normal abajas densidades mientras que a altas densidades, hacia el núcleo delobjeto, tiene un comportamiento repulsivo. Obtenidos los coeficientesde la métrica, mostramos la ausencia de superficies atrapadas.La tesis ofrece una visión integral de la física de los agujeros negrosy soluciones a varios de los principales problemas que la mismapresenta. Desde la problemática de la naturaleza de la región centralde los agujeros hasta sus efectos cosmológicos, en esta tesis reportamosinvestigaciones sistemáticas de un programa de largo alcance queseguirá siendo investigado en los años por venir. Información suministrada por el agente en SIGEVA