Agujeros negros astrofísicos

Abstract

En la presente tesis estudiamos diversos procesos asociados con agujeros negros astrofísicos; en particular, la estructura interna de los agujeros negros, la naturaleza de la entropía gravitacional, el proceso de acreción de materia por agujeros negros en régimen de campo fuerte y sistemas binarios de agujeros negros supermasivos. Analizamos también el rol de los agujeros negros en la caracterización de la Segunda Ley de la Termodinámica e implicaciones de los agujeros negros para teorías sobre la naturaleza del espacio-tiempo. Por último indagamos sobre la existencia misma de estos objetos y la posibilidad de que sistemas dinámicos en colapso puedan simular todas las propiedades 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 el interior de un agujero negro regular estático y esféricamente simétrico. Obtenemos las ecuaciones para las cantidades termodinámicas válidas para un perfil de densidad arbitrario. A partir de estas ecuaciones mostramos que el modelo es termodinámicamente inestable. Asimismo, presentamos un análisis donde se pone en evidencia la inestabilidad dinámica del fluido. Indagamos en la naturaleza de la entropía gravitacional mediante el análisis de dos estimadores clásicos basados en escalares construidos a partir del tensor de Weyl. Calculamos el primer estimador para agujeros negros de Reissner-Nordström, Kerr, Kerr-Newman, para un modelo particular de agujero de gusano y agujero negro regular estudiado anteriormente. Para el caso del segundo estimador, calculamos la densidad de energía gravitacional, la temperatura gravitacional y la entropía gravitacional en el espacio-tiempo de Kerr. En ambos casos, comparamos los resultados obtenidos para los distintos espacio-tiempos con la correspondiente entropía de Bekenstein-Hawking para determinar cuál de los estimadores representa mejor el comportamiento esperado para la entropía del campo gravitacional de los agujeros negros. En el marco de teorías alternativas de la gravitación, calculamos la distribución espectral de energía de discos de acreción entorno a agujeros negros de f(R)-Schwarzschild y f(R)-Kerr. Además utilizamos datos recientes de la binaria de gran masa Cygnus X-1 para limitar los valores de los parámetros de una clase de modelos con gravedad descripta por una teoría f(R). Analizamos, también, las propiedades radiativas de un sistema binario de agujeros negros supermasivos, suponiendo que el agujero negro primario lanza un jet relativista y que debido a los torques ejercidos por el agujero negro secundario, una zona de vaciamiento (gap) anular aparece en el disco de acreción. Calculamos el espectro modificado de radiación del disco teniendo en cuenta los efectos de campo gravitacional fuerte en la región más interna del mismo. Por otro lado, investigamos si la interacción de los electrones relativistas con los fotones emitidos por el disco de acreción inducen algún tipo de característica peculiar en la distribución espectral de energía del jet que 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 por horizontes de eventos, para modelos cosmológicos de Friedmann (i.e. sin expansión acelerada) determina, localmente, una dirección preferencial para el flujo de energía electromagnética. En el caso de modelos cosmológicos de Friedmann calculamos el crecimiento del horizonte de eventos debido tanto a la expansión cosmológica como a la acreción de fotones del fondo cósmico de radiación. Definimos un factor de llenado como el cociente entre el área total del horizonte de eventos y el área de una hipersuperficie radial co-móvil tipo espacio, y encontramos que este factor es mayor a 1 para los modelos de Friedmann plano, abierto y cerrado. Esto implica que para cualquier evento del espacio-tiempo su pasado y futuro causal no son simétricos, dando lugar a un flujo de Poynting neto en la dirección global futura; esto último está a su vez relacionado con el hecho de que la entropía termodinámica siempre crece. Por último, exponemos una conexión entre las cuatro flechas del tiempo distintas: cosmológica, electromagnética, gravitacional, y termodinámica. En relación a las implicaciones de los agujeros negros para teorías del espacio-tiempo, se confronta la tesis del presentismo con física relativista, en el límite de régimen de campo gravitacional fuerte que es donde tiene lugar la formación de agujeros negros. Concluimos que la posición del presentista no es compatible con la existencia de los agujeros negros y otros objetos compactos en el universo. Una revisión de dicha tesis es necesaria, si pretende ser consistente con la visión científica actual del universo. Investigamos la posible existencia de una situación donde el colapso gravitacional sea revertido antes de la aparición de un horizonte de eventos, generándose objetos astronómicos cuyas características sean indistinguibles de los agujeros negros estáticos sobre escalas temporales mayores que el tiempo de Hubble. Para ello resolvemos las ecuaciones de campo de Einstein para una nube en colapso gravitacional. La ecuación de estado se comporta como materia normal a bajas densidades mientras que a altas densidades, hacia el núcleo del objeto, tiene un comportamiento repulsivo. Obtenidos los coeficientes de la métrica, mostramos la ausencia de superficies atrapadas. La tesis ofrece una visión integral de la física de los agujeros negros y soluciones a varios de los principales problemas que la misma presenta. Desde la problemática de la naturaleza de la región central de los agujeros hasta sus efectos cosmológicos, en esta tesis reportamos investigaciones sistemáticas de un programa de largo alcance que seguirá siendo investigado en los años por venir.