Vacuum polarisation and regular gravitational collapse
- Autores: Valentin Boyanov Savov
- Directores de la Tesis: Luis Javier Garay Elizondo (dir. tes.), Raúl Carballo Rubio (dir. tes.), Carlos Barceló Serón (dir. tes.)
- Lectura: En la Universidad Complutense de Madrid ( España ) en 2023
- Idioma: inglés
- Número de páginas: 161
- Títulos paralelos:
- Polarización de vacío y colapso gravitatorio regular
- Tribunal Calificador de la Tesis: María del Prado Martín Moruno (presid.), Mercedes Martín Benito (secret.), Javier Antonio Olmedo Nieto (voc.), Stefano Liberati (voc.), Gonzalo J. Olmo (voc.)
- Programa de doctorado: Programa de Doctorado en Física por la Universidad Complutense de Madrid
- Materias:
- Enlaces
- Tesis en acceso abierto en: Docta Complutense
- Resumen
- español
El objetivo de este trabajo es reexaminar y revisar el problema de la formación y evolución de agujeros negros en gravedad semiclásica, una teoría en la que el espaciotiempo se trata de forma clásica, mientras que la materia admite una descripción cuántica, acoplándose a la gravedad a través de un valor esperado de un operador tensor de energía-momento. En particular, analizamos el valor esperado en vacío de este operador para un campo escalar de prueba en espaciotiempos esféricamente simétricos en los que se forman o están a punto de formarse regiones atrapadas. En primer lugar, examinamos la magnitud de las potenciales correcciones a la evolución del espaciotiempo en las proximidades de horizontes externos formados por materia en colapso en diferentes regímenes dinámicos. Encontramos que cuando la materia se aproxima a un régimen de colapso adiabático mientras está cerca de formar una región atrapada, la energía de vacío tiende a crecer ilimitadamente. Esta potencial divergencia tiene relación directa con la existencia de soluciones de las ecuaciones semiclásicas de Einstein de objetos estáticos sin horizonte capaces de imitar observacionalmente a los agujeros negros, sugiriendo un posible mecanismo de formación de este tipo de objetos.
Después, estudiamos cómo la dinámica de tales objetos ultracompactos sin horizonte puede conducir a la emisión de radiación de Hawking. Encontramos que un movimiento oscilatorio de su superficie da lugar a la emisión de ráfagas de radiación, mientras que un colapso lento que se aproxime asintóticamente al cruce del radio de Schwarzschild puede dar lugar a un espectro térmico similar al de los agujeros negros, pero con una temperatura modificada. También analizamos la estructura causal de esta última familia de espaciotiempos, revelando la presencia de un horizonte de sucesos en ausencia de superficies atrapadas.
Por último, examinamos el contenido de energía de vacío en las proximidades del horizonte interno de un agujero negro, una región del espaciotiempo clásicamente conocida por su amplificación no lineal de perturbaciones. A nivel clásico, la evolución del horizonte interno en presencia de perturbaciones genéricas presentes en el medio astrofísico conduce a la inestabilidad llamada "inflación de masa", debido a la que la curvatura alrededor y por debajo de la posición inicial del horizonte interno crece exponencialmente, mientras que el propio horizonte interno tiende a acercarse al origen. A nivel semiclásico, encontramos un flujo de energía entrante negativo, similar al responsable de la evaporación de Hawking del horizonte externo. Sin embargo, el efecto que tiene este flujo sobre la geometría parece ser amplificado, creciendo exponencialmente y superando rápidamente la supresión Planckiana que sufre la dinámica semiclásica. De hecho, la inflación de masa clásica y el efecto semiclásico (que denominamos inflación del horizonte interno) actúan de forma opuesta sobre el horizonte interno: uno lo empuja hacia dentro y el otro hacia fuera. Los análisis que comparan ambos efectos sugieren que el semiclásico puede dominar en tiempos tardíos, haciendo posible que la región atrapada desaparezca desde dentro hacia fuera, en una escala temporal mucho más corta que el tiempo de evaporación de Hawking.
Para completar la imagen de los agujeros negros en gravedad semiclásica, proponemos que, si las regiones atrapadas desaparecen en escalas de tiempo cortas, los objetos ultracompactos observados astrofísicamente pueden ser imitadores de agujeros negros que no tienen horizonte, formados a partir de materia que colapsa lentamente, cuyas condiciones iniciales se obtienen tras la disipación de una o varias iteraciones de formación de regiones atrapadas, inflación del horizonte interno y recolapso.
- English
It is the goal of this work to revisit and revise the problem of black hole formation and evolution in semiclassical gravity—a theory in which spacetime is treated classically, while matter admits a quantum description, coupling to gravity through an expectation value of a stress-energy tensor operator. Particularly, we analyse the vacuum expectation value of this operator for a test scalar field in spherically symmetric spacetimes in which trapped regions either form or are close to forming. First, we look at the magnitude of potential corrections to the spacetime evolution in the vicinity of outer horizons formed by collapsing matter in different dynamical regimes. We find that when the matter approaches an adiabatic collapse regime while close to forming a trapped region (i.e.close to crossing its Schwarzschild radius), the vacuum energy tends to grow unboundedly. This relates to the Boulware state divergence at horizons, which in turn can be related to the existence of static horizonless BH mimicker solutions to the semiclassical Einstein equations. This suggests that the growing vacuum energy in slow collapse regimes may stabilise the matter into a final horizonless configuration...
- español
