Academic literature on the topic 'Agujeros negros'

Usando una solución estática axial simétrica que describe un sistema binario de agujeros negros idénticos en un espacio-tiempo en cuatro dimensiones (4D), construimos y estudiamos a través de la estructura de barras, una solución en cinco dimensiones (5D), que contiene tres parámetros libres y es una solución de vacío para las ecuaciones de Einstein con tres vectores de Killing que conmutan. Dependiendo del valor de los parámetros, la solución 5D representa dos agujeros negros estáticos o un agujero negro estático en 5D. Además, presentamos una solución novedosa que representa dos agujeros negros idénticos en 5D por medio de la solución de Schwarzschild.

"Agujeros negros” es, sin duda alguna, una muestra representativa de lo tratado en la entrevista con Carlos Sandoval, pertenece al libro Los Terneros, su cuarto libro de cuentos publicado en 2018 por la editorial Páginas de Espuma, y con el permiso de su autor, con su especial atención, lo reproducimos en este número de Universidades.

En el presente trabajo proponemos un modelo gravitatorio alternativo a la teoría de la relatividad general, en el que la curvatura espaciotemporal se modificaría por efecto de la interacción de las partículas virtuales de materia y antimateria entre ellas y la materia, a través de subniveles fractales del vacío cuántico, generando una secuencia de apantallamientos y antiapantallamientos gravitatorios. Se modificarían las ecuaciones de movimiento de los planetas basados en la métrica de Schwarzschild y sus variantes, así como las actuales teorías sobre los agujeros negros que estarían conformados de antimateria.Palabras claves: Subniveles fractales del vacío cuántico, cargas vectoriales, partículas virtuales, métrica de Schwarzschild modificada, ecuaciones de movimiento de planetas, perihelio de Mercurio, agujeros negros de antimateria.

Analizamos el proceso de colapso gravitacional usado por Press-Schechter para predecir la existencia de los Agujeros Negros Primordiales, PBHs -por sus siglas en inglés-, utilizando la restricción de Josan y los últimos valores de los parámetros cosmológicos obtenidos por el satélite espacial Planck. Asumiendo que las perturbaciones del Universo temprano tuvieron fluctuaciones gaussianas, encontramos que un agujero negro primordial con masa M > 1012 kg, aún no debería haberse evaporado. Si comparamos con la fracción de masa, PBH = 10−20 y asumimos también que la densidad de energía de los PBHs no deben exceder la densidad de energía de la materia oscura fría, CDM -por sus siglas en inglés-, restringimos el índice espectral (blue spectra) a ns < 1.4 y obtenemos un espectro de potencia de P ≈ 10−2.

En el presente trabajo proponemos un modelo físico en el que las partículas y antipartículas del vacío cuántico, que a su vez contendrían subniveles de vacío cuántico, polarizarían las cargas eléctricas y de color de leptones y quarks, en una secuencia infinita convergente, incluyendo la gravedad, estableciendo una nueva métrica espaciotemporal, lo que permitiría. Su incorporación a las demás fuerzas fundamentales de la naturaleza.Palabras clave: Polarización cuántica, vacío cuántico fractal, antimateria virtual, métrica de Schwarzchild modificada.DOI: http://dx.doi.org/10.21503/CienciayDesarrollo.2015.V18i2.09

<p>Introducción: Se inicia con definiciones y aclaraciones de conceptos involucrados en la dinámica de los agujeros negros.</p><p>Materiales y métodos: Se desarrolla la revisión del tema partiendo del hecho de que al agujero negro lo rodee un “mar de fotones” creado gracias al proceso de acreción, llegándose a obtener la relación entre la entropía y el área de un agujero negro en concordancia con la literatura científica.</p><p>Resultados y discusión: En este trabajo se presenta una deducción de la relación entre la entropía y el área de un agujero negro estacionario, cargado a partir del establecimiento de un baño de radiación de fotones de frecuencia correspondiente a la de los rayos X.</p><p>Conclusiones: En el proceso surgen expresiones matemáticas, poco trabajadas en cursos formales de física a nivel de pregrado, como lo es el polilogaritmo o función de Jonquière presente a lo largo de los desarrollos que siguen, una vez establecidas por primera vez.</p><p> </p>

En este artículo se expondrá como obtener unas ecuaciones paramétricas que permiten el modelamiento de trayectorias orbitales de objetos alrededor de grandes cuerpos macroscópicos, en particular los agujeros negros, sin el empleo de cálculo tensorial. El modelo matemático propuesto permite caracterizar trayectorias de parejas de agujeros negros utilizando parámetros cuyo valor depende básicamente de números enteros, de un modo muy semejante a como ciertos números cuánticos determinan estados cuánticos del átomo de hidrógeno, posibilitando un simple sistema de taxonomización de las mismas.

Por uma política de leitura aberta de mundos: o buraco negro e o fim do mundo como possibilidade de nascimentos crianceiros Resumo: Este artigo é resultado de conversas afiadas e tecidas nos inconformismos e rebeldias desde as margens dos buracos negros de vidas em dissidências. O texto busca tensionar os buracos fechados pela polícia do sistema sexo-gênero na manutenção de seus privilégios e que não nos permite, via políticas públicas, acessar histórias em gêneros e sexualidades diferentes das tradicionais narrativas feitas para meninos e meninas de um certo tipo. Há subjetividades circulando entre nós nos espaços educativos que convocam os corpos, os gêneros e as sexualidades ao direito de nascerem, crescerem, florescerem e coabitarem o mundo, as escolas, as memórias e as narrativas hegemônicas das políticas curriculares na literatura infanto-juvenil. Exercitando perguntas que não se conformam com as histórias contadas, apresentadas e curricularizadas diariamente, o artigo faz problema sobre os modos de ler heterocêntricos que privilegiam o cérebro. Propõe, então, leituras buraco-negro. Estas apostas políticas, feitas de políticas anais e suas revoluções, buscam despreguear as relações de poder e as literaturas. Palavras-chave: Leitura como atividade. Gênero e sexualidade. Buracos negros. For an open world reading policy: the black hole and the end of the world as a possibility for births of childhoods Abstract: This article is the result of sharp conversations woven into nonconformities and rebellion from the margins of black holes in dissenting lives. The text seeks to tension the holes closed by the sex-gender police in maintaining their privileges and that does not allow us, through public policy, to access stories in genres and sexualities different from traditional narratives made for boys and girls of a certain type. There are subjectivities circulating among us in the educational spaces that call the bodies, genders and sexualities to the right to be born, grow, flourish and cohabit the hegemonic world, schools, memories and narratives of curriculum policies in children's literature. Exercising questions that do not conform to the stories told, presented and curricularized daily, the article questions the heterocentric ways of reading that privilege the brain. It then proposes black hole readings. These political bets, made up of anal politics and their revolutions, seek to unravel power relations and literatures. Keywords: Reading as an activity. Gender and sexuality. Black holes. Por una política de lectura de mundo abierto: el agujero negro y el fin del mundo como posibilidad para el nascimiento de las infâncias Resumen: Este artículo es el resultado de conversaciones agudas entretejidas en no conformidades y rebeliones desde los márgenes de los agujeros negros en vidas disidentes. El texto busca tensar los agujeros cerrados por la policía de género y sexo para mantener sus privilegios y eso no nos permite, a través de políticas públicas, acceder a historias de géneros y sexualidades diferentes a las narrativas tradicionales hechas para niños y niñas de cierto tipo. Hay subjetividades que circulan entre nosotros en los espacios educativos que llaman a los cuerpos, los géneros y las sexualidades al derecho a nacer, crecer, florecer y convivir con el mundo hegemónico, las escuelas, los recuerdos y las narrativas de las políticas curriculares en la literatura infantil. Ejercitando preguntas que no se ajustan a las historias contadas, presentadas y curriculadas diariamente, el artículo cuestiona las formas heterocéntricas de lectura que privilegian el cerebro. Luego propone lecturas de agujeros negros. Estas apuestas políticas, formadas por políticas anales y sus revoluciones, buscan desentrañar las relaciones de poder y la literatura. Palavras clave: Lectura como actividad. Género y sexualidad. Agujeros negros. Data de registro: 11/12/2019 Data de aceite: 26/08/2020

Doctor en Ciencias con mención en Física
En esta tesis se analizan ciertas teorías de gravitación, las cuales son seleccionadas al exigir que posean un único vacío de anti-de Sitter, con una constante cosmológica fija. Para una dimensión d, los Lagrangianos son rotulados por un número entero k=1,2, .... Es posible mostrar que existen agujeros negros pra cada valor de d y k, y estas soluciones se usan para clasificar las teorías mencionadas anteriormente. Se predice un mínimo radio posible para una fuente localizadas de materia con carga eléctrica para todas las teorías, excepto Relatividad General. El comportamiento termodinámico se divide en dos casos. Si d=2k+1, estas soluciones son análogas al aguejro negro en tres dimensiones; y en los otros casos, su comportamiento es análogo a la geometría de Schwarzschild-AdS4. Para las teorías mencionadas anteriormente, se presenta el tratamiento Hamiltonianio para el colapso gravitacional de cáscaras delgadas. Este formalismo permite un análisis conciso de estas teorías. Se encuentra que, en general, pueden formarse agujeros negros a través del colapso de una cáscara mediante este mecanismo. La teoría de CS es un caso excepcional, debido a que se pueden formar singularidades desnudas a partir del colapso de una cáscara y no posee una autointeracción gravitacional análoga a la ley de gravitación de Newton
Gravitation theories selected by requiring that they have a unique anti-de Sitter vacuum with a fixed cosmological constant are studied. For a given dimension d, the Lagrangians under consideration are labeled by an integer k=1, 2, ...,. Black holes for each d and k are found and are used t orank these theories. A minimun possible size for a localized electrically charged source is predicted in the whole set of theories, except General Relativity. It is found that the thermodynamic behavior falls into two classes: If d=2k+a, the4se solutions resemble the three dimensional black hole; otherwise, their behavior is similar to the Schwarzschild-AdS4 geometry. For the theories mentioned above, a Hamiltonian treatment for the gravitational colapse of thin shells is presented. The formalism allows a concise analysis for those theories. It is found that, in general, black holes can be created by colpasing thin shells, and naked singularities cannot formed by this mechanism. The Chern-Simons theory is an exceptional case, because naked singularities can emerge from colapsing thin sells and it do not posses a gravitational self-interaction, as in the Newtonian case.

Doctor en Astronomía
La variabilidad de los núcleos activos de las galaxias (AGNs) es un fenómeno bien establecido, el cual puede ser observado en un amplio rango del espectro electromagnético; desde longitudes de onda en radio hasta los rayos-Gamma. La variabilidad de los AGNs ha sido utilizada como una herramienta para estimar algunas propiedades de los agujeros negros, como los tama nos de las regiones donde se origina la emisión y la masa de los agujeros negros. Sin embargo, los mecanismos que originan la variabilidad, o su conección con parámetros que gobiernan la física de los AGNs, son todavía áreas de investigación con preguntas abiertas. La propiedad de los AGNs de variar su luminosidad en función del tiempo parece ser una herramienta muy prometedora para seleccionarlos. Por ejemplo, Butler & Bloom (2011), Palanque-Delabrouille et al. (2011), y m´as recientemente Graham et al. (2014) han demostrado que utilizando la variabilidad de los QSOs como método de selección puede aumentar hasta en un 90% el número de candidatos a QSOs que presentan colores ópticos similares a los de las estrellas, y por lo tanto son QSOs muy difíciles de identificar utilizando solo fotometría óptica y los métodos de selección tradicionales. Con el objetivo de aportar al estudio de la variabilidad de los agujeros negros hemos desarrollado una búsqueda de AGNs. Dicha búsqueda monitorea, noche tras noche, campos extragalácticos que han sido observados y estudiados en prácticamente todo el espectro electromegnético. Para realizar el monitoreo se utilizó la cámara QUEST instalada en el telescopio ESO Schmidt en El Observatorio La-Silla. Este es uno de los telescopios Schmidt más grandes en el hemisferio austral, y esta situado en un sitio excelente caracterizado por buen seeing y cielos oscuros. Además, la cámara QUEST cubre una importante región del cielo (3.6◦ × 4.6◦), conviertiéndola en un instrumento ideal para este tipo de estudios. Como parte de esta tesis se caracterizo el instrumento. Lo que implica entender el sistema fotométrico y evaluar la calidad de la astrométria. Además, utilizando observaciones del campo COSMOS, obtenidas entre el 2010 y el 2012, se estudio la variabilidad óptica de fuentes de rayos-X ya identificados como AGNs. Se encontró que el 80% ±5% de los QSOs o AGNs de lineas anchas son variables, además de que un 21% ±8% de los AGNs de lineas angostas también presentan variabilidad óptica. Por otro lado, un 22% ±9% de las galaxias, detectadas en observaciones del satélite XMM-Newton en Rayos-X, muestran variabilidad. Finalmente, haciendo uso de la variabilidad óptica de los QSOs y de fotometría obtenida del Sloan Digital Sky Survey (SDSS) se desarrollo y entreno un algoritmo basado en redes neuronales para seleccionar QSOs. De un total de 13, 740 objetos con fotometría del SDSS en el campo COSMOS, y observados en mas de 30 épocas por un periodo de más de 600 días con la cámara QUEST, se encontraron 341 candidatos a QSOs. De estos 106 ya han sido identificados spectroscópicamente por otros investigadores. Notablemente, se encontraron 109 candidatos con colores u − g >0.7 los cuales difícimente podrían ser identificados utilizando solo colores ópticos, debido a que sus colores ópticos son similares a los de las estrellas. Además, estos últimos candidatos son probablemente QSOs a z >2.5, como resultado se incremento significativamente el número de candidatos a alto redshift en esta región del cielo.

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Estudia la métrica de McVittie para el caso plano. Eso requiere de un desarrollo de la relatividad general y la cosmología. Estudia los agujeros negros, en donde deduce la métrica planteada por Karl Schwarzschidl, bajos las mismas consideraciones, métrica estática y con un parámetro distinto a las coordenadas que es la masa; también, realiza una transformación de coordenadas que conduce a versión isotrópica de la métrica de Schwarzschild.
Tesis

The main objective of this thesis is to understand from a microscopic point of view some of the characteristic phenomena of rotating black holes. The inclusion of rotation gives rise to physics that allows a more precise and detailed understanding of the microscopic string theory of black holes. In this thesis we focus on two models of particular interest: one is based on the D0-D6 system and the other on the D1-D5-P system. The former is interesting because, through its connection to M-theory, it yields a statistical-mechanics description of neutral black holes. The latter allows to have better control over the microscopic conformal field theory and yields a cleaner picture of the origin of superradiance. We extend the microscopic analysis of extremal dyonic Kaluza-Klein (D0-D6) black holes to cover the regime of fast rotation in addition to slow rotation. Fastly rotating black holes, incontrast to slow ones, have non-zero angular velocity and possess ergospheres, so they are more similar to the Kerr black hole. The D-brane model reproduces their entropy exactly, but the mass gets renormalized from weak to strong coupling, in agreement with recent macroscopic analyses of rotating attractors. We discuss how the microscopic model accounts for the fact that fastly rotating extremal KK black holes possess an ergosphere and exhibit superradiance while slow ones don't. In addition, we show in full generality how Myers-Perry black holes are obtained as a límit of Kaluza-Klein black holes, and discuss the slow and fast rotation regimes and superradiance in this context. A, perhaps surprising, consequence of our analysis is that both slowly and fastly-rotating KK black holes provide microscopic accounts of the entropy formula of MP black holes, even if they correspond to rather different microscopic states. As we discuss, this does not pose any problem, since the microscopic theory always retains a memory of how the 5D black hole is embedded within Taub-NUT. For a more detailed and quantitative study of black hole superradiance from the stringy microscopic side, we consider the D1-D5-P system. In order to disentangle superradiance from finite-temperature effects, we consider an extremal, rotating D1-D5-P black hole that has an ergosphere and is not supersymmetric. We explain how the microscopic dual accounts for the superradiant ergosphere of this black hole. The bound 0 < ω < mΩH on superradiant mode frequencies is argued to be a consequence of Fermi-Dirac statistics for the spin-carrying degrees of freedom in the dual CFT. We also compute the superradiant emission rates from both sides of the correspondence, and show their agreement. This is an extension of previous analyses of radiation from the D1-D5-P black holes. We generalize those results to include momentum for the bulk scalar. It would be interesting to extend our picture for superradiance to the smooth SUGRA solitons with D1-D5-P charges which correspond to CFT states such that both sectors are in pure states. Another issue to be investigated would be the absence of fermionic superradiance emission by the previously considered systems with ergoregion.
L'objectiu principal d'aquesta tesi és comprendre des d'un punt de vista microscòpic alguns dels fenòmens característics dels forats negres amb rotació. Ens centrem en forats negres amb rotació, extremals, però no supersimètrics. Aquesta mena de solucions són les més adequades per al nostre propòsit. A diferència del cas supersimètric, presenten una ergosfera i, per tant, s'hi pot produir el fenomen de la superradiància. Però, en tenir temperatura nul·la aquest fenomen no apareix “barrejat” amb la radiació de Hawking d'origen purament tèrmic. Alhora, aquestes geometries extremals també preserven el nombre de microestats en passar d'acoblament feble a acoblament fort. La primera part de la tesi, se centra en l'estudi microscòpic de l'entropia dels forats negres de Kaluza-Klein amb rotació. Aquesta família de solucions, presenta dos límits extremals: el de “rotació lenta” i el de “rotació ràpida”. Treballs anteriors ja havien aconseguit reproduir l'entropia del primer cas. Aquí, estenem aquest càlcul al límit extremal amb rotació ràpida. Alhora, mostrem que el fenomen de la superradiància es pot explicar de manera anàloga a la radiació de Hawking, en termes de dues excitacions que xoquen i provoquen l'emissió d'una corda tancada. En aquest cas, aquest mode emès té necessàriament un moment angular diferent de zero. A la segona part, ens centrem en aquesta interpretació microscòpica de la superradiància amb un tractament més quantitatiu. En aquest cas, considerem les solucions extremals no supersimètriques del sistema D1-D5-P amb rotació. A partir de la seva descripció microscòpica, aconseguim reproduir la condició de superradiància ω < mΩH i mostrem que es pot entendre com a conseqüència de l'estadística de Fermi-Dirac. També avaluem els ritmes d'emissió de superradiància des del punt de vista macroscòpic i microscòpic i analitzem si concorden.

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Desarrolla la estadística usual de una distribución gaussiana usando el corrimiento al azul (blue spectra) ns > 1 para poder limitar el índice espectral ns usando agujeros negros primordiales (PBHs), luego se asumió las fluctuaciones primordiales no gaussianas y describimos un procedimiento general usando conteo numérico de algún objeto para limitar la probabilidad de distribución de las fluctuaciones primordiales. Se aplicó este procedimiento para usar límites sobre la abundancia de agujeros negros primordiales y minihalos ultracompactos de materia oscura (UCMHs) para caracterizar la estadística permitida de fluctuaciones primordiales en pequeñas escalas. Se presentí las limitaciones en el power spectrum y la amplitud de la suavización para dos diferentes familias de distribución no gaussiana distinguida por la relativa importancia de altos momentos. A pesar de que los agujeros negros primordiales son una prueba de pequeñas escalas, los minihalos ultracompactos de materia oscura proveen fuertes límites significativos en el power spectrum y así son más probables eventualmente para proveer límites en pequeñas escalas de no gaussianidad.
Tesis

En esta tesis utilizamos los instrumentos de altas energías del satélite INTEGRAL para hacer espectroscopía y la cámara OMC para hacer fotometría de dos tipos diferentes de objetos celestes emisores de rayos X. INTEGRAL permite obtener la espectroscop´ıa en rayos X y γ (cubriendo un rango espectral de 3–8000 keV) y OMC es una cámara CCD que opera en el filtro V de Johnson, capaz de proporcionar una monitorización continua de las fuentes científicas incluídas en el OMC Input Catalogue. La capacidad de hacer espectroscopía nos permitió el estudio de la emisión de alta energía de dos sistemas transitorios con agujero negro (i.e. GRO J1655–40 y GX 339–4) dando nuevas pistas acerca de la física de los procesos de emisión en alta energía (rayos X y γ) de este tipo de objetos. OMC, el monitor óptico a bordo del satélite INTEGRAL, nos permitió hacer un análisis multi-longitud de onda de TYC 2675- 663-1, desvelando que se trata de un sistema binario con propiedades dominadas por acreción. Mientras que el estudio de los sistemas transitorios con agujero negro estudiados en esta tesis corresponden a observaciones dedicadas tras la aceptación de un programa de observación, TYC 2675- 663-1 corresponde a parte de un programa de ciencia serendípita. En esta tesis se presenta el descubrimiento de 3 nuevos sistemas binarios (TYC 2675 663 1, TYC 237 363 1 y HD 86222) en base a sus propiedades fotométricas, todos mostrando emisión en rayos X blandos ya que pertenecen al catalogo ROSAT. Para dos de estos sistemas, la emisión en rayos X es la esperada en estrellas de rotación rápida y debido a actividad cromosférica. Para TYC 2675- 663-1 la situación es diferente ya que se detectó un exceso en la emisión en rayos X blandos de ≈50%. Se inició una campaña fotométrica y espectroscópica para desvelar el origen de este exceso y la naturaleza de ambas componentes del sistema binario. Como resultado, se detectaron un pronunciado efecto O-Connell, comportamiento errático en forma de erupciones y la presencia de mínimos asimétricos y diferentes máximos ocasionalmente en la curva de luz. La espectroscopía permitió detectar emisión notable y ensanchada de las líneas Hα y He I con perfil P Cygni. Esto es debido a procesos de acreción y a la presencia de vientos estelares notables en el sistema binario. Todas estas propiedades llevan a pensar que este sistema es un candidato a sistema de tipo Algol, presentando cambios drásticos y que podría convertirse en un sistema cataclísmico en el futuro. Finalmente, actividad en forma de erupciones en rayos X es probable que suceda en este sistema.

In this thesis we present a new aspect pertaining to the effective field theory of general relativity in the limit of a large number D of dimensions. We demonstrate that the theory initially developed to capture the physics of asymptotically flat branes also contains a new family of localized solutions that can be identified with higher dimensional black holes such as the Schwarzschild-Thangerlini or the Myers-Perry black holes in the limit of a large number of spacetime dimensions. Using this technique we have explored several new aspects of these black hole solutions. We show that the effective large D equations for the asymptotically flat brane also contain an analytic solution that is a gaussian blob (with the same topology as the flat membrane). The blob actually corresponds to a magnification of the geometry near the cap (north-pole) of the black hole. We calculate their (slow) quasi-normal spectrum, which captures the stability of Schwarzschild black holes and also the instability of ultraspinning Myers-Perry black holes. Additionally we find novel class of rotating black bar solutions, that appear as stationary objects in the effective theory since they can not radiate gravitational waves which are decoupled from the effective theory. We describe a method that allows to construct (Maxwell) charged solutions form every non- charged solution that the large D theory contains. Using this method we construct charged and rotating black holes in the Einstein-Maxwell theory. Furthermore we explore the solutions that branch of from the (ultra-spinning) Myers-Perry (MP) black hole and the non-linear extensions of the zero-modes of the analytically known black bar. We study the evolution of higher dimensional black hole collisions by solving numerically the effective equations of motion. We demonstrate that in these collisions it is possible to form black holes with elongated horizons such as black bars and dumbbells. At high enough angular momentum the black bars and dumbbells can be so elongated that they are susceptible to a Greggory-Laflamme type instability, that leads to the a pinch off of the horizon towards a naked singularity. Accordingly this demonstrates a novel example of a violation of weak cosmic censorship in the quintessential process of general relativity: the collision of black holes. Furthermore we study the evolution and decay of ultraspinning MP black holes, and observe remarkably rich structure in the intermediate states of the decay. Lastly, we study how entropy production and irreversibility appear in the large D effective theory. With this tool we study how black hole entropy is generated in several highly dynamical processes, such as the fusion of black holes and the fission of unstable solutions into multiple black holes. We find the black hole fusion is highly irreversible, while fission which follows the decay of unstable black strings generates much less entropy. Additionally we describe how in processes that contain fusion and fission the intermediate state is quasi-thermalized.
En esta tesis hemos presentado un nuevo aspecto perteneciente a la teoría efectiva de la relatividad general en el límite de un gran número de dimensiones. Hemos demostrado que la teoría desarrollada inicialmente para capturar la física de las branas asintóticamente planas también contiene una nueva familia de soluciones localizadas que pueden ser identificadas con agujeros negros de dimensiones más altas como los agujeros negros de Schwarzschild- Thangerlini o de Myers-Perry en el límite de gran D. Usando esta técnica hemos explorado varios aspectos nuevos de dichos agujeros negros. Encontramos una nueva clase de soluciones de barras negras giratorias, que aparecen como objetos estacionarios en la teoría efectiva Describimos un método que permite construir soluciones cargadas a partir de cada solución no cargada. Usando este método construimos agujeros negros cargados y giratorios en la teoría de Einstein-Maxwell. Estudiamos la evolución de las colisiones de agujeros negros en dimensiones superiores usando las ecuaciones efectivas. Demostramos que en estas colisiones es posible formar agujeros negros con horizontes alargados como barras negras o con forma de mancuernas. Con un momento angular lo suficientemente alto, las barras negras pueden ser tan alargadas que son susceptibles a una inestabilidad tipo Greggory-Laflamme, que lleva a una rotura del horizonte y a una singularidad desnuda. Por consiguiente, esto demuestra un ejemplo novedoso de una violación de la hipótesis de 'cosmic censorship' (censura cósmica). Además estudiamos la evolución y el decaimiento de los agujeros negros MP ultraspinning, y observamos una estructura notablemente rica en los estados intermedios del decaimiento.

However successful classical general relativity is, it faces non-normalizability problems at the quantum mechanical level. Nevertheless, it predicts the existence of black holes, which are thermal objects that are expected to still exist in a satisfactory theory of quantum gravity. This is one of the main reasons why black holes are important. String theory is considered, today, to be the most successful candidate for a quantum theory of gravity. Its mathematical consistency requires spacetime to have ten dimensions, and thus, it motivates the study of general relativity, and in particular, black holes, in higher dimensions. This is the main focus of our thesis. Moreover, the advent of the AdS/CFT correspondence, relating a theory of gravity to a quantum field theory in one less dimension have raised even more the interest in higher dimensional gravity. Compared to four-dimensional general relativity, which has been largely studied and investigated in the past years, general relativity in higher dimensions has many interesting and new features. Uniqueness is one property of four dimensional general relativity that does not continue to hold in higher dimensions. Another related property is that in four dimensions black holes can have horizons of a spherical topology only, while in higher dimensions black objects can have other topologies as well. Black rings are a manifestation of this. The last two new properties lead to topological phase transitions in the phase space of higher dimensional black holes, which is one of the topics we consider and touch upon in this thesis. The existence of extended black objects in higher dimensions, called black “p”-branes, is an important and fundamental issue. Those objects were found to be dynamically unstable. Therefore, the following of this instability has become an important problem. What is the end state of it?. This instability is known as the Gregory-Laamme instability and it is another topic we investigate in our thesis and which we relate to a type of fluid-gravity correspondence in at spacetime. The existence of black “p”-branes is attributed to the fact that in higher dimensional general relativity there are black holes that can rotate as fast as one wishes. That is, there is no analogue of the four-dimensional Kerr bound which prevents black holes from spinning very fast. The fast rotation, on the other hand, which is possible in higher dimensions has the effect that it makes the horizon of the black hole flattens along the rotation plane, and hence, in the limit it approaches the black “p”-brane geometry. In chapter [3] we give a short introduction to the blackfolds approach to higher dimensional black holes. We discuss the reasons that make new approximate methods available in higher dimensions. We introduce the basic objects, or the building blocks, of the approach, which are the boosted black “p”-branes, and explain how the blackfolds approach can be used to construct from them new stationary solutions to the gravitational field equations with new and novel topologies and how it can be used to construct dynamical solutions as well. In chapter [4] we give a brief introduction to the topic of topology change in general relativity. We discuss the Kaluza-Klein black hole phases, the homogeneous black string phase, the inhomogeneous black string phase and the localized black hole phase. We explain the mechanism under which a topological phase transition appears as one moves in the phase space from a black string to a localized black hole. In chapter [5] we managed to formulate a type of fluid-gravity correspondence in at space. We found a map between a fluctuating boosed black “p”-brane and a relativistic viscous fluid living at spatial infinity. That is, we constructed a solution to the vacuum Einstein equations of a dynamical black “p”-brane up to first order in derivatives. The dual viscous fluid is characterized by two parameters (transport coefficients) in the stress tensor - the shear and bulk viscosities. Using the gravitational solution we succeeded to compute those coefficients. Furthermore, by using the effective description of the black “p”-brane as a viscous fluid in a lower number of dimensions we studied the Gregory-Laamme instability and we found a striking agreement with the numerical results, already obtained, on this problem (which were obtained by analyzing the linearized gravitational equations). In more details, by including the damping effect of the viscosity in the unstable sound waves, we obtained a remarkably good and simple approximation to the dispersion relation of the Gregory-Laamme modes, whose accuracy increases with the number of transverse dimensions. We proposed an exact limiting form as the number of dimensions tends to infinity. Hence, instead of attacking the complicated (linearized) gravitational equations we propose instead to attack the relativistic Navier-Stokes equations of the effective (dual) fluid, as they are much simpler than the former. In chapter [6] we tackled and made progress in a different problem - topology change in higher dimensional general relativity. Before the advent of our work there had been no analytical (but only numerical) complete example of a topological phase transition in general relativity. The black string / black hole phase transition in Kaluza-Klein spaces was analyzed and studied only numerically. Neverthelss, some local models had been obtained analytically. It was argued that the phase transition passes through (or is mediated by) a singular critical configuration; a self-similar double cone geometry. This geometry was found only locally, though. In our work we have provided for the first time a complete analytical example of a topological phase transition. We took the rotating black hole inside de-Sitter space (the Kerr-de-Sitter black hole), and we showed that if one follows a trajectory in the phase space of solutions along which the black hole rotation is increased then it will pancake along the rotation plane, and finally it will touch the de-Sitter horizon along that plane. A merger transition is obtained if one continues to move along the same phase space trajectory, leading to a merged phase with a single connected horizon. In our example, the critical configuration (in which the two horizons just meet) is mediated by a self-similar double cone, thus confirming previous propositions of the mechanism under which topological transitions work. We also described local models for the critical geometries that control many transitions in the phase space of higher-dimensional black holes, such as the pinch-down of a topologically spherical black hole to a black ring or to a black p-sphere, or the merger between black holes and black rings in black Saturns or di-rings in D >/= 6. It is worth mentioning, in addition, that the cones we have found are general ones (compared to previously known ones), in the sense that they describe two horizons that intersect each other at different temperatures, not only ones that intersect each other with the same temperature. However, in the case the two horizons intersect at different temperatures, there can be no merger transition afterwards, and so the trajectory of solutions in the phase space ends there.
Malgrat el seu èxit a nivell clàssic, la relativitat general s'enfronta a problemes de no-renormalitzabilitat a nivell quàntic. No obstant, prediu l'existència de forats negres, que són objectes tèrmics que s'espera que continuïin existint en una teoria satisfactòria de gravetat quàntica. La seva consistència matemàtica requereix que l'espai-temps tingui deu dimensions, i d'aquesta manera motiva l'estudi de la relativitat general, i en particular els forats negres, en dimensions altes. Aquest és el tema central de la nostra tesi. A més, l'adveniment de la correspondència AdS/CFT, que relaciona una teoria de gravetat amb una teoria quàntica de camps en una dimensió menys, ha incrementat encara més l'interès en la gravetat en dimensions altes. Comparada amb la relativitat general en quatre dimensions, que ha estat àmpliament estudiada i investigada els darrers anys, la relativitat general en dimensions més altes té moltes característiques noves i interessants. La unicitat és una propietat de la relativitat general en quatre dimensions que no continua sent vàlida en dimensions més altes. Una altra propietat relacionada amb aquesta és que en quatre dimensions els forats negres només poden tenir horitzons amb topologia esfèrica, mentre que en dimensions més altes els objectes negres poden tenir també altres topologies. Els anells negres són una manifestació d'això. Les dues noves propietats esmentades donen lloc a transicions de fase topològiques a l'espai de fases dels forats negres en dimensions altes, que és un dels temes que considerem i als quals contribuïm en aquesta tesi. L'existència d'objectes negres estesos en dimensions altes, anomenats p-branes negres, és un tema important i fonamental. Se sap que aquests objectes són dinàmicament inestables. Per tant, la qüestió de cap on condueix aquesta inestabilitat ha esdevingut un problema important. Quin és l'estat final? Aquesta inestabilitat es coneix com la inestabilitat de Gregory-Laflamme i és un altre tema que investiguem a la nostra tesi, i que relacionem amb un tipus de correspondència entre fluids i gravetat a l'espai-temps pla. L'existència de p-branes negres s'atribueix al fet que en relativitat general en dimensions altes hi ha forats negres que poden rotar de manera arbitràriament ràpida. és a dir, no hi ha un anàleg de la cota de Kerr en quatre dimensions, que impedeix que els forats negres donin voltes molt de pressa. La rotació ràpida, per altra banda, que és possible en dimensions més altes té l'efecte d'aplanar l'horitzó del forat negre al llarg del pla de rotació, i per tant en el limit de velocitats altes s'apropa a la geometria de la p-brana negra. Al capítol 3 donem una breu introducció a l'estudi de forats negres en dimensions més altes per mitjà de les anomenades ``blackfolds''. Discutim les raons per les quals hom pot fer servir nous mètodes aproximats en dimensions més altes. Introduïm els objectes bàsics de l'enfoc amb blackfolds, les p-branes negres impulsades, i expliquem com l'enfoc amb blackfolds es pot fer servir per construir a partir d'elles noves solucions estacionàries de les equacions del camp gravitatori amb noves topologies, i com es pot fer servir també per construir solucions dinàmiques. Al capítol 4 donem una breu introducció al tema dels canvis de topologia en relativitat general. Discutim les fases del forat negre de Kaluza-Klein, la fase de corda negra homogènia, la fase de corda negra inhomogènia i fase de forat negre localitzat. Expliquem el mecanisme pel qual apareix una transició de fase topològica quan hom es mou per l'espai de fases des d'una corda negra fins a un forat negre localitzat. Al capítol 5 hem aconseguit formular un tipus de correspondència entre fluids i gravetat a l'espai pla. Hem trobat un mapa entre una p-brana negra impulsada fluctuant i un fluid viscós relativista situat a l'infinit espacial. és a dir, hem constrïit una solució de les equacions d'Einstein al buit d'una p-brana negra dinàmica fins a primer ordre en derivades. El fluid viscós dual està caracteritzat per dos paràmetres (coeficients de transport) al tensor d'energia-moment, la viscositat de cisallament i la viscositat de compressió. Fent servir la solució gravitatória hem pogut calcular aquests coeficients. A més, fent servir la descripció efectiva de la p-brana negra com un fluid viscós en un nombre més baix de dimensions hem estudiat la inestabilitat de Gregory-Laflamme, i els nostres resultats estan d'acord de manera molt precisa amb els resultats numèrics prèviament obtinguts en aquest problema (que havien estat obtinguts per mitjà d'una anàlisi de les equacions gravitaòóries linealitzades). Més en detall, incloent l'efecte d'amortiment de la viscositat en les ones de so inestables hem obtingut una aproximació remarcablement bona i senzilla a la relació de dispersió dels modes de Gregory-Laflamme, la precisió de la qual augmenta amb el nombre de dimensions transverses. Hem proposat una forma límit exacta quan el nombre de dimensions tendeix a infinit. Així, en lloc d'intentar resoldre les complicades equacions gravitatòries (linealitzades) proposem intentar resoldre les equacions relativistes de Navier-Stokes per al fluid efectiu (dual), ja que aquestes són molt més senzilles que les primeres. Al capítol 6 hem abordat i hem fet progrés en un altre problema: canvi de topologia en relativitat general en dimensions més altes. Abans del nostre treball no hi havia cap exemple analític complet (només n'hi havia de numèrics) d'una transició de fase topològica en relativitat general. La transició de fase corda negra/ forat negre en espais de Kaluza-Klein havia estat analitzada i estudiada només numèricament. No obstant, alguns models locals

In physics, it is common to find different phenomena being described by similar equations. A good analogy can make us look at a problem from a different point of view. In that way, ideas may be transferred from one field of science to another, allowing to model new phenomena after previous, well-studied ones. In the case of the field of analogue gravity, systems that mimic certain aspects of the physics of curved spacetimes are studied. In this thesis, we are interested in the analogy between geometry and media. It has been known for several decades that light propagation in a gravitational field is formally equivalent to that in a bianisotropic medium. On the one hand, ray paths are bent due to spacetime curvature. On the other hand, spatial variations of the permittivity and permeability of a material can make light follow curved trajectories. These two phenomena can be related mathematically in the context of transformation optics, which provides the tools to determine the medium parameters necessary to mimic a certain coordinate transformation. Materials with these specific properties are not naturally occurring, therefore, the emergence of metamaterial science at the beginning of the century was needed to realize them. Metamaterials are artificial composite materials with sub-wavelength constitutive elements that exhibit exotic properties. They have been one of the hot topics of the past years given the variety of opportunities they offer: negative refraction, superlenses, indefinite dispersion, invisibility, among many others. In this thesis we study the analogues of two static spacetimes from the point of view of transformation optics: one with spherical symmetry and one with conical geometry. Both cases are inspired by solutions to Einstein’s equations: the Schwarzschild black hole and the cosmic string, respectively. For each case, we derive the permittivity and permeability of the analogous material using Plebanski’s formulation of the electromagnetic constitutive equations. We solve numerically the wave equation in the metamaterial and compare the results with analytical theories. We find that the spherically symmetric spacetime can be mimicked by either an anisotropic or isotropic medium due to its rotational symmetries. This is achieved by performing a coordinate transformation of the general metric to a conformally flat form. We obtain the medium parameters for both cases and apply the results to the case of the Schwarzschild black hole. We simulate the propagation of a Gaussian beam in the two materials and compare the numerical results with the null-geodesics in the Schwarzschild spacetime, finding a good agreement. The cosmic string is an example of a topological defect with conical geometry. A conical space can be interpreted as flat space with a wedge removed. We make use of this transformation to study the wave equation in the cosmic string background. We apply asymptotic diffraction theories to obtain analytical models that describe wave propagation of electromagnetic or gravitational waves (in a certain gauge). We find that our expressions reproduce accurately the results of the numerical simulations in the analogous metamaterial. Moreover, with our models, we can understand the observed diffraction pattern as the interference of four characteristic waves. With this interpretation we can introduce the Fresnel observation zones, which are related to the diffraction maxima. They help localize the regions – in either space or frequency – where the wave effects are more significant. In fact, in the diffraction by a non-compact object such as the cosmic string, we find that the contribution to the field of wave effects such as interference or diffraction can be of the same order as the geometrical optics terms. Furthermore, the conical topology also appears in condensed matter systems as disclinations or wedge dislocations, therefore we expect our results to be applicable in those systems as well.
La investigación en gravitación análoga consiste en el estudio de sistemas físicos donde se pueden reproducir algunos de los fenómenos propios de relatividad general. Esta tesis se centra en la conocida propagación análoga de las ondas electromagnéticas en un espacio-tiempo curvado y en un medio con una permitividad y permeabilidad generalmente anisótropas. Para la realización de este tipo de medios, fue necesaria la aparición de los metamateriales, materiales artificiales diseñados para tener propiedades electromagnéticas fuera de lo común. En este contexto, se estudian modelos análogos a dos objetos estáticos con distinta simetría: uno con simetría esférica y otro con topología cónica. Ambos casos están motivados por soluciones a las ecuaciones de Einstein: el agujero negro de Schwarzschild y la cuerda cósmica, respectivamente. A través de las ecuaciones de óptica de transformación, determinamos los parámetros de los medios análogos a estos espacio-tiempos. Estudiamos la propagación de ondas electromagnéticas en los materiales obtenidos mediante simulaciones numéricas y comparamos los resultados con teorías analíticas, encontrando muy buen acuerdo. Por un lado, los contrastamos con las geodésicas en los espacio-tiempos considerados a través del formalismo Hamiltoniano. Por otro lado, desarrollamos modelos analíticos para describir la difracción de una onda (en principio tanto electromagnética como gravitatoria) debido a la cuerda cósmica. Para ello, usamos teorías asintóticas de difracción en un espacio virtual plano con un déficit de ángulo, ya que es una representación equivalente a la geometría cónica de la cuerda. De este modo, se obtienen expresiones que nos permiten explicar detalladamente los fenómenos ondulatorios de interferencia y difracción que se producen en este espacio-tiempo. Observamos que estos efectos pueden ser comparables a los términos de óptica geométrica: añaden una modulación en la amplificación del campo relacionada con la formación de imágenes dobles propia de la topología de la cuerda. Cabe destacar que estos fenómenos son conceptualmente distintos a los que se podrían esperar en la difracción sobre un objeto sólido como una barra. Utilizando nuestros modelos analíticos, obtenemos el patrón de difracción característico de la cuerda cósmica, que podría ser de interés para su detección.

In this thesis we apply new approaches and develop new techniques to address various issues related to fundamental aspects of modern gravitational theory and black holes. We study the behavior of black branes in the large D approximation, that is, we consider a space with a very large number of dimensions. This approach allows us to obtain a set of very simple equations that capture many of the physical phenomena of gravity. This technique uses the fact that the gravitational field around a massive object decays faster the higher the dimension, so when you take the very large D limit it becomes concentrated in a very thin region of size 1/D around the horizon of the black hole. In this way, the horizon can be viewed as a membrane suspended in an essentially flat background geometry. The region where the black hole lives is, in some sense, excluded from the background space. We use the large D effective equations to investigate the phases and stability of black strings at different values of the dimension D and the compactification length L. In some cases, the Gregory-Laflamme instability of the uniform black strings can lead to stable non-uniform black strings. The transition type changes at a certain critical value of D ~ 13.5. We use 1/D corrections to estimate the value of the critical dimension, which turns out to be very accurate. Possible violations of Weak Cosmic Censorship in black hole collisions at D > 4 are also explored. The large D technique, through the effective equations, provides a powerful tool for analyzing such scenarios that would otherwise be very difficult to tackle using numerical simulations at finite D. It has recently been shown that rotating black holes can be described as Gaussian lumps on a black brane. The Strong Cosmic Censorship conjecture for highly charged Reissner-Nordström black holes has recently been called into question in asymptotically de Sitter spacetimes. To go beyond previous studies, this thesis includes the results of nearly extremal Reissner-Nordström nonlinear simulations. In order to perform the nonlinear (spherically symmetric) integrations, a new spectral code has been developed in double-null coordinates. Any continuous system that can be described as a quantum field theory will react to a change in the geometry where it is located. It will do so by changing its distribution of energy density, pressure and stresses. That is, the system is polarized, and its stress-energy tensor acquires a non-trivial quantum expectation value. In this context, the holographic duality, also known as AdS/CFT correspondence, is extremely useful for extracting valuable qualitative information from the system. Perturbations of the geometry of the AdS boundary will produce tidal deformations in the geometry of the bulk. To calculate this deformations, we solve the equations for a linearized perturbation of the geometry that satisfies suitable boundary conditions. Finally, we study a subset of Horndeski's theories whose equations of motion are locally well posed. However, it is necessary to determine whether global solutions exist and whether they are sufficiently well behaved. A worrisome possibility (which has been confirmed by numerical simulations) is a change in the character of the equation of motion, from hyperbolic to parabolic and finally to elliptical. This causes a change in the causal structure of the geometry.
En aquesta tesi aplicarem nous enfocaments i desenvoluparem noves tècniques per tractar diversos temes relacionats amb aspectes fonamentals de la teoria gravitacional moderna i els forats negres. Estudiem el comportament de les branes negres en l’aproximació large D, és a dir, considerem un espaitemps amb un nombre molt gran de dimensions. Aquest enfocament ens permet obtenir un conjunt d’equacions molt simples que recullen molts dels fenòmens físics de la gravetat. En alguns casos, la inestabilitat de Gregory-Laflamme de les cordes negres uniformes pot conduir a cordes negres no uniformes estables. S’exploren també possibles esdeveniments de violació de la Censura Còsmica Feble en col·lisions de forats negres a D > 4. La tècnica de large D, mitjançant les equacions efectives, proporciona una eina potent per analitzar aquest tipus d’escenaris que d’altra manera serien molt complicats d’abordar mitjançant simulacions numèriques a D finita. Recentment s’ha posat en dubte la conjectura de Censura Còsmica Forta per a forats negres de Reissner-Nordström altament carregats en espaitemps asimptòticament de Sitter. Per anar més enllà dels estudis anteriors, en aquesta tesi s’inclouen els resultats de simulacions completament no lineals de Reissner-Nordström altament carregats. Qualsevol sistema continu que es pugui descriure com una teoria quàntica de camps reaccionarà davant un canvi en la geometria on està situat. En aquest context, la correspondència AdS/CFT és extremadament útil per extreure informació qualitativa i valuosa del sistema. Les pertorbacions en la geometria de la frontera d’AdS produiran deformacions de marea en la geometria de l’interior. Per calcular aquesta deformació, resolem les equacions per a una pertorbació linealitzada de la geometria que satisfà una condició de contorn adequada a l’infinit. Finalment, s’estudia un subconjunt de les teories de Horndeski les equacions del moviment de les quals són localment ben plantejades. Tot i això, cal determinar si existeixen solucions globals i si aquestes solucions són prou ben comportades. Una possibilitat preocupant (que s’ha confirmat amb simulacions numèriques), és un canvi del caràcter de l’equació de moviment, d’hiperbòlica a parabòlica i finalment a el·líptica.