Scalar source in circular motion interacting with massive klein-gordon field in Minkowski spacetime

We analyze the scalar radiation emitted by a source in uniform circular motion in Minkowski spacetime interacting with a massive Klein-Gordon field. We assume the source rotating around a central object due to a Newtonian force. By considering the canonical quantization of this field, we use perturbation theory to compute the radiation emitted at the tree level. Regarding the initial state of the field as being the Minkowski vacuum, we compute the emission amplitude for the rotating source, assuming it as being minimally coupled to the massive Klein-Gordon field. We then compute the power emitted by the swirling source as a function of its angular velocity, as measured by asymptotic static observers.

Radiação emitida por uma carga elétrica orbitando um buraco negro de Schwarzschild segundo Teoria Quântica de Campos

Desenvolvemos a quantização do campo vetorial não massivo no espaço-tempo de Schwarzschild, e calculamos a potência irradiada por uma carga elétrica em órbita circular em torno de um objeto com massa M em ambos os espaços-tempos. Em Minkowski é encontrada a expressão analítica da potência irradiada utilizando teoria quântica de campos e assumindo gravitação newtoniana. O resultado obtido é equivalente ao resultado clássico, dado que o cálculo é realizado em nível de árvore. Dadas as dificuldades matemáticas encontradas ao se tentar obter soluções expressas em termos de funções especiais conhecidas, em Schwarzschild o problema é abordado de duas formas: solução analítica no limite de baixas freqüências, e resolução numérica. O primeiro caso serviu como cheque de consistência para o método numérico. Em Schwarzschild, o cálculo também é realizado utilizando teoria quântica de campos em nível de árvore, e a expressão da potência é encontrada analiticamente na aproximação de baixas freqüências e através de métodos numérico. Após a comparação dos resultados, concluímos que, para uma mesma velocidade angular de rotação da carga (medida por observadores estatísticos assintóticos), a potência irradiada em Minkowski é maior que a potência irradiada em Schwarzschild.

Densidade de energia e força de radiação sobre fronteiras em movimento para estados arbitrários do campo: aplicação ao estado coerente

No presente trabalho foi considerado um campo escalar real não massivo em um espaço-tempo bidimensional, satisfazendo à condição de fronteira Dirichlet ou Neumann na posição instantânea de uma fronteira em movimento. Para uma lei de movimento relativística, foi mostrado que as condiçõoes de fronteira Dirichlet e Neumann produzem a mesma força de radiação sobre um espelho em movimento quando o estado inicial do campo é invariante sobre translações temporais. Obtemos as fórmulas exatas para a densidade de energia do campo e da força de radiação na fronteira para os estados de vácuo, coerente e comprimido. No limite não-relativistico, os resultados obtidos coincidem com os encontrados na literatura. Também foi investigado o campo dentro de uma cavidade oscilante. Considerando as condiçõoes de fronteira Neumann e Dirichlet, escreveu-se a fórmulas exata para a densidade de energia dentro de uma cavidade não-estática, para um estado inicial arbitrário do campo. Tomando como base a equação de Moore, nós calculamos recursivamente a densidade de energia e investigamos a evolução temporal da densidade de energia para o estado coerente do campo.

Seção de choque de absorção de buracos negros de Schwarzschild e de buracos acústicos canônicos

Na presente dissertação calculou-se a seção de choque de absorção de buracos negros de Schwarzschild para os campos escalar não massivo e eletromagnético. Também calculamos a seção de choque de absorção de buracos acústicos canônicos. Utilizamos um método numérico para obter os resultados em freqüências arbitrárias. Obtemos também expressões analíticas para as seções de choque de absorção nos limites de baixas e altas freqüências. Os resultados numéricos estão em excelente concordância com os valores das seções de choque de absorção em baixas e altas freqüências obtidos analiticamente. No limite em que a freqüência tende a zero, a seção de choque de absorção tende ao valor da área do horizonte de eventos tanto para o caso do campo escalar não massivo em Schwarzschild quanto para o buraco acústico canônico. Entretanto, a medida que a freqüência aumenta, estes resultados se tornam bastante distintos. Isto mostra que, apesar de a forma do espaço-tempo não exercer influência sobre a seção de choque escalar no limite em que a freqüência tende a zero, ela é determinante fora desse limite. Observamos também que os valores das seções de choque de absorção escalar e eletromagnética em Schwarzschild coincidem para freqüências e momentos angulares suficientemente grandes. O spin da partícula espalhada, neste caso, apesar de ter grande influência a baixas energias, é menos importante para o valor da seção de choque de absorção quanto maiores forem a freqüência e o momento angular da onda incidente.

Densidade de energia e força de radiação sobre fronteiras em movimento num espaço-tempo bidimensional

No presente trabalho, nós investigamos a densidade de energia e a força de reação a radiação quântica sobre uma fronteira em movimento que impõem ao campo escalar, sem massa, condições de contorno de Dirichlet ou Neumann. Apesar de assumirmos um particular movimento para fronteira, introduzido por Walker e Davies muitos anos atrás (J. Phys. A, 15 L477, 1982), consideramos novas possibilidades para o estado inicial do campo, entre as quais, estados térmicos e coerentes. Nós investigamos, também, o problema de uma cavidade com uma das fronteiras no particular movimento proposto por Walker e Davies, levando em conta o estado de vácuo, térmico e coerente como estados iniciais do campo. Finalmente, investigamos o caso de uma fronteira não estática que impõem condições de contorno de Robin ao campo.

Fenômeno de interferência na densidade de energia em cavidades com duas fronteiras oscilantes

O primeiro objetivo do presente trabalho é calcular a força quântica exata que atua sobre as fronteiras de uma cavidade, bem como o comportamento exato da densidade de energia numa cavidade não estática, onde ambas as fronteiras executam movimentos prescritos arbitrários. O modelo considerado é o do campo escalar não massivo em 1 + 1 dimensões, sendo que o campo obedece à condição de Dirichlet em cada uma das fronteiras. Considerando o vácuo como estado inicial do campo, nós mostramos que a densidade de energia em um dado ponto do espaço-tempo pode ser obtida através do traçado de uma sequência de linhas nulas, conectando o valor da densidade de energia nesse ponto a um certo valor conhecido da densidade de energia em um ponto das “zonas estáticas”. O segundo objetivo é mostrar que para movimentos específicos das fronteiras, particularmente para os quais ambas voltam às suas posições iniciais em instantes múltiplos do comprimento inicial da cavidade, o método exato por nós obtido permite encontrar soluções analíticas escritas como uma expansão em série na variável que controla as amplitudes de movimento das fronteiras. Os resultados analíticos por nós obtidos são aplicáveis a uma vasta classe de movimentos, a qual inclui a grande maioria dos casos ressonantes estudados na literatura. O terceiro objetivo do presente trabalho é investigar, através dos métodos de cálculos desenvolvidos aqui, o fenômeno da interferência na energie e na densidade de energia em cavidades com duas fronteiras móveis, obtendo fórmulas genéricas para os termos de interferência respectivos.

Fonte escalar acoplada ao campo de Klein-Gordon orbitando um objeto estelar

Neste trabalho determinamos, utilizando Teoria Quântica de Campos em nível de árvore, a radiação escalar emitida por uma fonte em movimento circular uniforme no espaço-tempo plano de Minkowski, assumindo Gravitação Newtoniana, e no espaço-tempo curvo de um buraco negro sem carga e com momento angular nulo, assumindo Relatividade Geral. Efetuamos este cálculo analiticamente para o caso de Minkowski e numericamente no âmbito do espaço-tempo de Schwarzschild, sendo que neste espaço-tempo curvo obtivemos a forma analítica e a normalização dos modos nas regiões assintóticas. Verificamos que, para as órbitas circulares estáveis de acordo com a Relatividade Geral, a potência irradiada no caso de um buraco negro de Schwarzschild é menor do que a obtida no espaço-tempo de Minkowski assumindo a Gravitação Newtoniana. Obtemos também que apenas uma pequena parcela da radiação emitida é absorvida pelo buraco negro. Verificamos que a diferença entre as potências irradiadas em Schwarzschild e Minkowski diminui na medida em que aumentamos o valor da massa do campo. Em Schwarzschild, uma parcela cada vez maior da radiação emitida é absorvida pelo buraco negro na medida em que aumentamos o valor da massa do campo.

Modos quasinormais e pólos de Regge para os buracos acústicos canônicos

Usando o formalismo relativístico no estudo da propagação de perturbações lineares em fluidos ideais, obtêm-se fortes analogias com os resultados encontrados na Teoria da Relatividade Geral. Neste contexto, de acordo com Unruh [W. Unruh, Phys. Rev. Letters 46, 1351 (1981)], é possível simular um espaço-tempo dotado de uma métrica efetiva em um fluído ideal barotrópico, irrotacional e perturbado por ondas acústicas. Esse espaço-tempo efetivo é chamado de espaço-tempo acústico e satisfaz as propriedades geométricas e cinemáticas de um espaço-tempo curvo. Neste trabalho estudamos os modos quasinormais (QNs) e os pólos de Regge (PRs) para um espaço-tempo acústico conhecido como buraco acústico canônico (BAC). No nosso estudo, usamos o método de expansão assintótica proposto por Dolan e Ottewill [S. R. Dolan e A. C. Ottewill, Class. Quantum Gravity 26, 225003 (2009)] para calcularmos, em termos arbitrários do número de overtone n, as frequências QNs e os momentos angulares para os PRs, bem como suas respectivas funções de onda. As frequências e as funções de onda dos modos QNs são expandidas em termos de potências inversas de L = l + 1/2 , onde l é o momento angular, enquanto que os momentos angulares e funções de onda dos PRs são expandidos em termos do inverso das frequências de oscilação do buraco acústico canônico. Comparamos os nossos resultados com os já existentes na literatura, que usam a aproximação de Wentzel-Kramers-Brillouin (WKB) como método de determinação dos modos QNs e dos PRs, e obtemos uma excelente concordância dentro do limite da aproximação eikonal (l ≥ 2 e l > n).

Potenciais pseudo-newtonianos e a radiação escalar emitida por uma fonte girando ao redor de um objeto estelar

Neste trabalho usamos os potenciais pseudo-newtonianos propostos por Paczynski e Wiita, Nowak e Wagoner e Artemova et al. para calcular a radiação escalar emitida por uma fonte em movimento circular e uniforme ao redor de um objeto estelar. Comparamos os resultados obtidos nessa abordagem com os resultados encontrados via teoria quântica de campos no espaço-tempo de Schwarzschild. Obtemos que, do infinito até a órbita circular marginalmente estável (R = 6M) o potencial que melhor reproduz os resultados de Schwarzschild é o de Nowak e Wagoner. Já entre esta órbita e a última órbita circular instável (R = 3M) nenhum dos potenciais pseudo-newtonianos produz resultados satisfatórios, e o potencial newtoniano mostra-se como a melhor aproximação. O potencial de Paczynski e Wiita, o mais utilizado na literatura para analisar discos de acre ção, gerou os resultados menos satisfatórios em nossa análise.

Electric charge rotating around a black hole

We consider an electric charge rotating around a Schwarzschild black hole. We compute, using quantum field theory in curved spacetime at the tree level, the power emitted by the rotating charge minimally coupled to the Maxwell field. We also compute how much of the radiation emitted by the swirling charge is absorbed by the black hole.