Black holes and solitonic objects with bosonic fields

Abstract

Black holes (BH) are among the most unusual and exciting physical objects. Besides being simultaneously Relativistic and quantum mechanical objects, which allows the discovery and/or tests of new physics, BHs also present a lack of “individuality". As a recall, if two stars have the same mass M and angular momentum J, nothing binds them to be distributed in the same way in both stars. However, two distinctly originated BH with the same M and J, will be indistinguishable. In recent years, several alternative models of ultra-compact objects have emerged to explain the unknown Universe. Between them, objects made and/or surrounded by bosonic fields are at the centre of recent developments. This thesis aims to construct and study such bosonic objects. In particular, the scalarization phenomena – where a BH gets immersed in a non-trivial scalar field – and the construction of Boson Stars – self-gravitating configurations of bosonic fields; as well as techniques to study them, namely: decomposition into spherical harmonics and the “complete” study of the virial identity through Derrick’s argument. In this regard, we have constructed a parallelized, adaptative-step 6(5) order Runge-Kutta integrator to solve, with very high accuracy, the set of ODEs. Concerning PDEs, we resort to a professional solver (CADSOL/FIDISOL program package) due to the added complexity.

Os buracos negros (BH) estão entre os objetos físicos mais incomuns e excitantes. Além de serem, simultaneamente, objetos relativistas e quânticos, o que permite a descoberta e/ou testes de nova física, os BHs apresentam também falta de “individualidade’. Se duas estrelas tiverem exactamente a mesma massa M e momento angular J, nada os obriga a serem distribuídos da mesma forma nas duas estrelas, porém, dois BHs de origem distinta com os mesmos M e J, serão indistinguíveis. Nos últimos anos, vários modelos alternativos de objetos ultracompactos surgiram para explicar o Universo. Entre eles, objetos feitos e/ou cercados por campos bosônicos estão no centro dos desenvolvimentos recentes. Esta tese tem como objetivo construir e estudar tais objetos bosônicos. Em particular, os fenômenos de escalarização – onde um BH fica imerso em um campo escalar não trivial – e a construção de estrelas de bosões – configurações autogravitantes de campos bosônicos; bem como técnicas para estudá-los, a saber: a decomposição em harmônicos esféricos e o estudo “completo” da identidade virial através do argumento de Derrick. Nesse sentido, construímos um integrador Runge-Kutta de ordem 6(5) de passo adaptativo e paralelizado para resolver, com altíssima precisão, o conjunto de equações diferenciais ordinárias. No que diz respeito às equações diferenciais parciais, recorremos a um solver profissional (pacote de programas CADSOL/FIDISOL) devido à complexidade acrescida.