Gravitational Waves and the Galatic Pontential

Resumo:

O progresso rápido e recente da astronomia de ondas gravitacionais tornou necessário modelar fontes cada vez mais complexas. Durante a próxima década, interferómetros de terceira geração e a missão espacial LISA observarão binárias em centros galácticos envolvendo buracos negros supermassivos com milhões de massas solares.

O seu sinal diferá substancialmente das mais ``comuns'' binárias de buracos negros de igual massa que têm dominado as detecções de ondas gravitacionais. Medições mais precisas de eventos mais extremos que excitam campos gravitacionais mais fortes podem ter um impacto tremendo em física fundamental, astrofísica e cosmologia. Porém, à escala galáctica, discos de acreção, halos de matéria escura e densas populações de objectos compactos podem interagir gravitacionalmente com corpos em coalescência.

O papel que estas estruturas astrofísicas desempenham na evolução e respectiva assinatura de ondas gravitacionais de sistemas binários continua por explorar e estudos prévios dependeram com frequência de aproximações Newtonianas ad-hoc. Nesta tese, pretendemos melhorar este panorama e responder a questões como: podem ambientes de não-vácuo comprometer testes de Relatividade Geral e da natureza de buracos negros? Podemos colocar constrangimentos nas propriedades de ambientes astrofísicos com futuras observações de ondas gravitacionais? Em particular, estudamos como deformações de maré de matéria presente à volta de buracos negros podem mascarar desvios a Relatividade Geral, ou destruir estruturas ``cabeludas'' que poderiam sinalizar a existência de candidatos de matéria escura como campos bosónicos ultraleves.

Também exploramos a conexão profunda entre anéis de luz - órbitas fechadas de partículas sem massa - e os modos próprios de oscilação de objectos compactos. Mostramos que, independentemente da presença de um ambiente, o anel de luz controla como observadores distantes vêem matéria a cair num buraco negro, ou como o buraco negro final formado numa colisão relaxa para estacionariedade. Finalmente, desenvolvemos o primeiro framework completamente relativista capaz de estudar emissão de ondas gravitacionais em ambientes de não-vácuo.

Aplicamo-lo a binárias de buracos negros galácticas rodeadas por um halo de matéria escura e observamos a conversão entre ondas de matéria e ondas gravitacionais. Este acoplamento resulta em diferenças significativas no fluxo de energia emitido, que poderão ajudar a constrangir as propriedades de distribuições galácticas de matéria. Os nossos métodos podem tornar-se a ferramenta de referência para estudos de efeitos de ambiente em astronomia de ondas gravitacionais e ser implementado em pipelines de análise de dados de colaborações futuras