Stability analysis and area spectrum of three-dimensional Lifshitz black holes

In this work, we probe the stability of a z = 3 three-dimensional Lifshitz black hole by using scalar and spinorial perturbations. We found an analytical expression for the quasinormal frequencies of the scalar probe field, which perfectly agree with the behavior of the quasinormal modes obtained numerically. The results for the numerical analysis of the spinorial perturbations reinforce the conclusion of the scalar analysis, i.e., the model is stable under scalar and spinor perturbations. As an application we found the area spectrum of the Lifshitz black hole, which turns out to be equally spaced.

Analisi degli effetti di trascinamento in relativita generale

Il presente lavoro si compone di una parte iniziale in cui si introducono i principi alla base della teoria della Relatività Generale, e viene discussa la loro effettiva importanza come elementi fondanti del lavoro di Einstein. Nel capitolo 1 si sviluppano i principali concetti di geometria differenziale utili alla comprensione dei risultati ottenuti nei capitoli successivi. In particolare viene mostrato un risultato notevole che permette di ricavare gli integrali primi del moto geodetico a partire dalla dipendenza del tensore metrico dalle coordinate utilizzate. Vengono poi brevemente introdotte le Equazioni di campo di Einstein. Nel capitolo 2 Viene ricavata la soluzione di Schwarzschild e le quantità conservate nel moto in caduta libera verso una sorgente a simmetria sferica e statica. Viene poi definito il concetto di orizzonte degli eventi. Infine nel capitolo 3 viene introdotta la metrica di Kerr, e si suggerisce come questa possa essere indotta da una sorgente massiva rotante. Vengono analizzati gli integrali primi del moto di particelle in caduta libera e da questi viene ricavata l'espressione dell'effetto di trascinamento. Vengono poi introdotto il concetto di limite statico e la definizione di ergosfera, e viene ricavata l'espressione del raggio dell'orizzonte degli eventi.

How fluids bend: the elastic expansion for higher-dimensional black holes

Hydrodynamics can be consistently formulated on surfaces of arbitrary co-dimension in a background space-time, providing the effective theory describing long-wavelength perturbations of black branes. When the co-dimension is non-zero, the system acquires fluid-elastic properties and constitutes what is called a fluid brane. Applying an effective action approach, the most general form of the free energy quadratic in the extrinsic curvature and extrinsic twist potential of stationary fluid brane configurations is constructed to second order in a derivative expansion. This construction generalizes the Helfrich-Canham bending energy for fluid membranes studied in theoretical biology to the case in which the fluid is rotating. It is found that stationary fluid brane configurations are characterized by a set of 3 elastic response coefficients, 3 hydrodynamic response coefficients and 1 spin response coefficient for co-dimension greater than one. Moreover, the elastic degrees of freedom present in the system are coupled to the hydrodynamic degrees of freedom. For co-dimension-1 surfaces we find a 8 independent parameter family of stationary fluid branes. It is further shown that elastic and spin corrections to (non)-extremal brane effective actions can be accounted for by a multipole expansion of the stress-energy tensor, therefore establishing a relation between the different formalisms of Carter, Capovilla-Guven and Vasilic-Vojinovic and between gravity and the effective description of stationary fluid branes. Finally, it is shown that the Young modulus found in the literature for black branes falls into the class predicted by this approach - a relation which is then used to make a proposal for the second order effective action of stationary blackfolds and to find the corrected horizon angular velocity of thin black rings.

Black Holes and Biophysical (Mem)-branes

We argue that the effective theory describing the long-wavelength dynamics of black branes is the same effective theory that describes the dynamics of biophysical membranes. We improve the phase structure of higher-dimensional black rings by considering finite thickness corrections in this effective theory, showing a striking agreement between our analytical results and recent numerical constructions while simultaneously drawing a parallel between gravity and the effective theory of biophysical membranes.

Uniqueness of black holes with bubbles in minimal supergravity

We generalize uniqueness theorems for non-extremal black holes with three mutually independent Killing vector fields in five-dimensional minimal supergravity in order to account for the existence of non-trivial two-cycles in the domain of outer communication. The black hole space-times we consider may contain multiple disconnected horizons and be asymptotically flat or asymptotically Kaluza–Klein. We show that in order to uniquely specify the black hole space-time, besides providing its domain structure and a set of asymptotic and local charges, it is necessary to measure the magnetic fluxes that support the two-cycles as well as fluxes in the two semi-infinite rotation planes of the domain diagram.

Search for microscopic black holes and string balls in final states with leptons and jets with the ATLAS detector at √s = 8 TeV

A search for an excess of events with multiple high transverse momentum objects including charged leptons and jets is presented, using 20.3 fb−1 of proton-proton collision data recorded by the ATLAS detector at the Large Hadron Collider in 2012 at a centre-of-mass energy of √s = 8TeV. No excess of events beyond Standard Model expectations is observed. Using extra-dimensional models for black hole and string ball production and decay, exclusion contours are determined as a function of the mass threshold for production and the fundamental gravity scale for two, four and six extra dimensions. For six extra dimensions, mass thresholds of 4.8–6.2TeV are excluded at 95% confidence level, depending on the fundamental gravity scale and model assumptions. Upper limits on the fiducial cross-sections for non-Standard Model production of these final states are set.

Black holes in the Milky Way Galaxy

Extremely strong observational evidence has recently been found for the presence of black holes orbiting a few relatively normal stars in our Milky Way Galaxy and also at the centers of some galaxies. The former generally have masses of 4–16 times the mass of the sun, whereas the latter are “supermassive black holes” with millions to billions of solar masses. The evidence for a supermassive black hole in the center of our galaxy is especially strong.

The nature of LINER galaxies: Ubiquitous hot old stars and rare accreting black holes

Context. Galaxies, which often contain ionised gas, sometimes also exhibit a so-called low-ionisation nuclear emission line region (LINER). For 30 years, this was attributed to a central mass-accreting supermassive black hole (more commonly known as active galactic nucleus, AGN) of low luminosity, making LINER galaxies the largest AGN sub-population, which dominate in numbers over higher luminosity Seyfert galaxies and quasars. This, however, poses a serious problem. While the inferred energy balance is plausible, many LINERs clearly do not contain any other independent signatures of an AGN. Aims. Using integral field spectroscopic data from the CALIFA survey, we compare the observed radial surface brightness profiles with what is expected from illumination by an AGN. Methods. Essential for this analysis is a proper extraction of emission lines, especially weak lines, such as Balmer H beta lines, which are superposed on an absorption trough. To accomplish this, we use the GANDALF code, which simultaneously fits the underlying stellar continuum and emission lines. Results. For 48 galaxies with LINER-like emission, we show that the radial emission-line surface brightness profiles are inconsistent with ionisation by a central point-source and hence cannot be due to an AGN alone. Conclusions. The most probable explanation for the excess LINER-like emission is ionisation by evolved stars during the short but very hot and energetic phase known as post-AGB. This leads us to an entirely new interpretation. Post-AGB stars are ubiquitous and their ionising effect should be potentially observable in every galaxy with the gas present and with stars older than ~1 Gyr unless a stronger radiation field from young hot stars or an AGN outshines them. This means that galaxies with LINER-like emission are not a class defined by a property but rather by the absence of a property. It also explains why LINER emission is observed mostly in massive galaxies with old stars and little star formation.

The host galaxies and black holes of typical z~0.5-1.4 AGNs

We study the stellar and star formation properties of the host galaxies of 58 X-ray-selected AGNs in the GOODS portion of the Chandra Deep Field South (CDF-S) region at z ~ 0.5-1.4. The AGNs are selected such that their rest-frame UV to near-infrared spectral energy distributions (SEDs) are dominated by stellar emission; i.e., they show a prominent 1.6 μm bump, thus minimizing the AGN emission "contamination." This AGN population comprises approximately 50% of the X-ray-selected AGNs at these redshifts. We find that AGNs reside in the most massive galaxies at the redshifts probed here. Their characteristic stellar masses (M_* ~ 7.8 × 10^10 and M_* ~ 1.2 × 10^11 M_☉ at median redshifts of 0.67 and 1.07, respectively) appear to be representative of the X-ray-selected AGN population at these redshifts and are intermediate between those of local type 2 AGNs and high-redshift (z ~ 2) AGNs. The inferred black hole masses (M_BH ~ 2 × 10^8 M_☉) of typical AGNs are similar to those of optically identified quasars at similar redshifts. Since the AGNs in our sample are much less luminous (L_2–10 keV < 10^44 erg s^−1) than quasars, typical AGNs have low Eddington ratios (η ~ 0.01-0.001). This suggests that, at least at intermediate redshifts, the cosmic AGN "downsizing" is due to both a decrease in the characteristic stellar mass of typical host galaxies and less efficient accretion. Finally, there is no strong evidence in AGN host galaxies for either highly suppressed star formation (expected if AGNs played a role in quenching star formation) or elevated star formation when compared to mass-selected (i.e., IRAC-selected) galaxies of similar stellar masses and redshifts.

Effects of spin on high-energy radiation from accreting black holes

Observations of jets in X-ray binaries show a correlation between radio power and black hole spin. This correlation, if confirmed, points toward the idea that relativistic jets may be powered by the rotational energy of black holes. In order to examine this further, we perform general relativistic radiative transport calculations on magnetically arrested accretion flows, which are known to produce powerful jets via the Blandfordâ Znajek (BZ) mechanism. We find that the X-ray and γ-ray emission strongly depend on spin and inclination angle. Surprisingly, the high-energy power does not show the same dependence on spin as the BZ jet power, but instead can be understood as a redshift effect. In particular, photons observed perpendicular to the spin axis suffer little net redshift until originating from close to the horizon. Such observers see deeper into the hot, dense, highly magnetized inner disk region. This effect is largest for rapidly rotating black holes due to a combination of frame dragging and decreasing horizon radius. While the X-ray emission is dominated by the near horizon region, the near-infrared (NIR) radiation originates at larger radii. Therefore, the ratio of X-ray to NIR power is an observational signature of black hole spin.

La cinematica nel core dell'ammasso globulare NGC 6441 da osservazioni SINFONI

In questo elaborato viene presentata l'analisi cinematica delle regioni centrali di NGC 6441, uno degli ammassi globulari più massivi (M ~10^6 Msol) della nostra Galassia. L'ammasso è stato selezionato, insieme ad altri 18, all'interno dell'ESO Large Program “Unveiling the kinematics in the core of high-density globular clusters with SINFONI" (PI: Ferraro) per cercare evidenze di buchi neri di massa intermedia (IMBH), la cui esistenza è ancora controversa. Poichè la misura della dispersione di velocità da spettri integrati può essere affetta dalla contaminazione di poche stelle brillanti, in questo lavoro si sono misurate le velocità radiali (RV) di stelle individuali, utilizzando lo spettrografo IFU SINFONI dell'ESO, dotato di un sistema di ottiche adattive. Sono state misurate le RV di 709 stelle giganti nei primi 17" dal centro, da cui è stato estratto un sotto-campione di alta qualità di circa 200 stelle. Queste misure sono state poi combinate con un campione di RV nelle regioni più esterne dell'ammasso, ottenute con gli spettrografi multi-oggetto KMOS e FLAMES dell'ESO. Tali dati sono stati utilizzati per il calcolo del profilo di dispersione di velocità e per la ricerca di rotazione lungo l'intera estensione radiale nell'ammasso. I risultati ottenuti sembrano escludere sia l'esistenza di un IMBH, che la presenza di forte rotazione interna. Inoltre hanno evidenziato una significativa decrescita della dispersione di velocita` nelle regioni centrali (parzialmente confermata anche da misure di moti propri ottenute con HST), che potrebbe suggerire la presenza di anisotropia tangenziale nel centro del sistema. Un simile comportamento (sebbene di minore entita`) e’ stato evidenziato in altri ammassi, suggerendo che potrebbe trattarsi di una caratteristica comune in questi sistemi stellari.

La cinematica nel core dell'ammasso globulare NGC 6266 da osservazioni SINFONI

Lo studio delle regioni più interne degli ammassi globulari risulta fondamentale per la ricerca di buchi neri di massa intermedia (IMBH). La scoperta di tali oggetti avrebbe un impatto sostanziale su un gran numero di problemi astrofisici aperti, dalla formazione dei buchi neri supermassicci, all'interpretazione delle Ultra Luminous X-ray Sources, fino allo studio delle onde gravitazionali. Il presente lavoro di tesi si inserisce all'interno di un progetto osservativo mirato a studiare la dinamica interna degli ammassi globulari e volto ad investigare la presenza di IMBH nel centro di tali sistemi tramite l'analisi sistematica dei profili di dispersione di velocità e di rotazione. In questo elaborato presentiamo lo studio della cinematica del core dell'ammasso globulare NGC 6266, realizzato con lo spettrografo a campo integrale IFU-SINFONI, assistito da un sistema di ottiche adattive. Grazie all'utilizzo dell'ottica adattiva, SINFONI è in grado di realizzare osservazioni ad alta risoluzione spaziale e misurare la velocità radiale di stelle individuali anche nelle regioni più interne degli ammassi globulari, dove le misure spettroscopiche tradizionali falliscono a causa dell'elevato crowding stellare. Questo ci ha permesso di determinare il profilo centrale della dispersione di velocità di NGC 6266 dalla misura delle velocità radiali individuali di circa 400 stelle, localizzate negli 11 arcsec più interni dell'ammasso. Utilizzando dati complementari, provenienti da osservazioni realizzate con lo spettrografo multi-oggetto FLAMES, siamo stati in grado di costruire il profilo di dispersione di velocità di NGC 6266 fino ad una distanza radiale di 250 arcsec. Il profilo di dispersione di velocità osservato permette di escludere la presenza di un IMBH di massa superiore a 2500 masse solari e mostra un calo nella regione centrale, simile a quello rilevato in un numero crescente di ammassi globulari, che potrebbe indicare la presenza di anisotropia tangenziale.

I Wormholes ed il loro impiego per il viaggio interstellare

Viaggiare da un punto all'altro dell'universo muovendosi in uno spazio-tempo piatto richiede tempi talmente colossali da risultare impossibile per la nostra razza; pertanto, un viaggio interstellare potrebbe essere realizzato solo per mezzo di topologie relativistiche in grado di accorciare la distanza fra i punti dell'universo. Dopo aver dato una serie di motivazioni per cui i buchi neri ed il ponte di Einstein-Rosen non sono adatti ad essere impiegati viene introdotta una particolare classe di soluzioni, presentata per la prima volta da Michael S. Morris e Kip S. Thorne, delle equazioni di Einstein: essa descrive wormholes i quali, almeno in linea di principio, risultano attraversabili dagli esseri umani in quanto non presentano un orizzonte degli eventi sulla gola. Quest'ultima proprietà, insieme alle equazioni di campo di Einstein, pone dei vincoli piuttosto estremi sul tipo di materiale in grado di dar luogo alla curvatura spazio-temporale del wormhole: nella gola del wormhole la materia deve possedere una tensione radiale di enorme intensità, dell'ordine di quella presente nel centro delle stelle di neutroni più massive per gole con un raggio di appena qualche kilometro. Inoltre, questa tensione dev'essere maggiore della densità di energia del materiale: ad oggi non si conosce alcun materiale con quest'ultima proprietà, la quale viola entrambe le "condizioni sull'energia" alla base di teoremi molto importanti e verificati della relatività generale. L'esistenza di questa materia non può essere esclusa a priori, visto che non esiste prova sperimentale o matematica della sua irrealisticità fisica, ma non essendo mai stata osservata è importante assicurarsi di impiegarne il meno possibile nel wormhole: questo ci porterà a mostrare che i wormholes in cui il materiale esotico presenta una densità di energia negativa per gli osservatori statici sono i più adatti al viaggio interstellare.