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SUMMARY:Gravitational Waves and the Galatic Pontential
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DESCRIPTION: 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 mi
ssão espacial LISA observarão binárias em centros galácticos envolvend
o buracos negros supermassivos com milhões de massas solares. O seu sinal
diferá substancialmente das mais ``comuns'\;'\; binárias de bur
acos negros de igual massa que têm dominado as detecções de ondas gravi
tacionais. Medições mais precisas de eventos mais extremos que excitam c
ampos gravitacionais mais fortes podem ter um impacto tremendo em física
fundamental\, astrofísica e cosmologia. Porém\, à escala galáctica\, d
iscos de acreção\, halos de matéria escura e densas populações de obj
ectos compactos podem interagir gravitacionalmente com corpos em coalescê
ncia. O papel que estas estruturas astrofísicas desempenham na evolução
e respectiva assinatura de ondas gravitacionais de sistemas binários con
tinua por explorar e estudos prévios dependeram com frequência de aproxi
mações Newtonianas ad-hoc. Nesta tese\, pretendemos melhorar este panora
ma e responder a questões como: podem ambientes de não-vácuo compromete
r testes de Relatividade Geral e da natureza de buracos negros? Podemos co
locar constrangimentos nas propriedades de ambientes astrofísicos com fut
uras observações de ondas gravitacionais? Em particular\, estudamos como
deformações de maré de matéria presente à volta de buracos negros po
dem mascarar desvios a Relatividade Geral\, ou destruir estruturas ``cabel
udas'\;'\; que poderiam sinalizar a existência de candidatos de m
atéria escura como campos bosónicos ultraleves. Também exploramos a con
exão profunda entre anéis de luz - órbitas fechadas de partículas sem
massa - e os modos próprios de oscilação de objectos compactos. Mostram
os que\, independentemente da presença de um ambiente\, o anel de luz con
trola como observadores distantes vêem matéria a cair num buraco negro\,
ou como o buraco negro final formado numa colisão relaxa para estacionar
iedade. Finalmente\, desenvolvemos o primeiro framework completamente rela
tivista capaz de estudar emissão de ondas gravitacionais em ambientes de
não-vácuo. Aplicamo-lo a binárias de buracos negros galácticas rodeada
s por um halo de matéria escura e observamos a conversão entre ondas de
matéria e ondas gravitacionais. Este acoplamento resulta em diferenças s
ignificativas no fluxo de energia emitido\, que poderão ajudar a constran
gir as propriedades de distribuições galácticas de matéria. Os nossos
métodos podem tornar-se a ferramenta de referência para estudos de efeit
os de ambiente em astronomia de ondas gravitacionais e ser implementado em
pipelines de análise de dados de colaborações futuras
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O progresso rápido e recente da astronomia de o
ndas gravitacionais tornou necessário modelar fontes cada vez mais comple
xas. Durante a próxima década\, interferómetros de terceira geração e
a missão espacial LISA observarão binárias em centros galácticos envo
lvendo buracos negros supermassivos com milhões de massas solares.
O seu sinal diferá substancialmente das mais ``comuns'\;'\; b
inárias de buracos negros de igual massa que têm dominado as detecções
de ondas gravitacionais. Medições mais precisas de eventos mais extremo
s que excitam campos gravitacionais mais fortes podem ter um impacto treme
ndo em física fundamental\, astrofísica e cosmologia. Porém\, à escala
galáctica\, discos de acreção\, halos de matéria escura e densas popu
lações de objectos compactos podem interagir gravitacionalmente com corp
os 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\, pretend
emos melhorar este panorama e responder a questões como: podem ambientes
de não-vácuo comprometer testes de Relatividade Geral e da natureza de b
uracos negros? Podemos colocar constrangimentos nas propriedades de ambien
tes astrofísicos com futuras observações de ondas gravitacionais? Em pa
rticular\, estudamos como deformações de maré de matéria presente à v
olta de buracos negros podem mascarar desvios a Relatividade Geral\, ou de
struir estruturas ``cabeludas'\;'\; que poderiam sinalizar a exist
ência de candidatos de matéria escura como campos bosónicos ultraleves.
Também exploramos a conexão profunda entre anéis de luz - ó
rbitas fechadas de partículas sem massa - e os modos próprios de oscila
ção de objectos compactos. Mostramos que\, independentemente da presenç
a de um ambiente\, o anel de luz controla como observadores distantes vêe
m matéria a cair num buraco negro\, ou como o buraco negro final formado
numa colisão relaxa para estacionariedade. Finalmente\, desenvolvemos o p
rimeiro framework completamente relativista capaz de estudar emissão de o
ndas gravitacionais em ambientes de não-vácuo.
Aplicamo-lo a b
inárias de buracos negros galácticas rodeadas por um halo de matéria es
cura e observamos a conversão entre ondas de matéria e ondas gravitacion
ais. Este acoplamento resulta em diferenças significativas no fluxo de en
ergia emitido\, que poderão ajudar a constrangir as propriedades de distr
ibuições galácticas de matéria. Os nossos métodos podem tornar-se a f
erramenta de referência para estudos de efeitos de ambiente em astronomia
de ondas gravitacionais e ser implementado em pipelines de análise de da
dos de colaborações futuras
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