Black holes, geons, and singularities in metric-affine gravity

Resumen

Uno de los problemas abiertos en la descripción de la gravedad es la existencia de singularidades. Las geometrías singulares se caracterizan por geodésicas incompletas, lo que físicamente se corresponde con observadores que desaparecen del espacio-tiempo, o que aparecen de la nada. Múltiples extensiones de la Relatividad General tratan de resolver este problema de algún modo. Por ello, en esta tesis estudio modificaciones al Lagrangiano de Relatividad General, tales como gravedad cuadrática y gravedad de Born-Infeld, en el formalismo Métrico-Afín. En este formalismo, la conexión (de la cual se derivan los tensores de curvatura) se considera independiente de la métrica, y permitimos que sea el principio variacional el que dictamine su valor. Encontramos que en estas teorías, la conexión en vacío es la conexión de Levi-Civita de la métrica (como en el formalismo Riemanniano de Relatividad General); pero empezamos a ver diferencias cuando el valor del tensor energía-momento es suficientemente alto, tal como en las cercanías de la región central de un agujero negro. Queremos destacar que este formalismo es necesario en física del estado sólido, para describir la geometría de sistemas como los cristales de Bravais. En estos sistemas, la densidad de defectos en el cristal genera no-metricidad, de manera análoga a la materia para teorías de gravedad en el formalismo Métrico-Afín. En este contexto, hemos obtenido soluciones analíticas para agujeros negros cargados, donde en lugar de una singularidad central, encontramos una estructura de agujero de gusano con una esfera mínima cuya área depende de la carga del agujero de gusano. Estudiamos la regularidad de esta solución de tres maneras diferentes: - Según el criterio estándar de singularidad, que es la completitud geodésica. Las soluciones que obtenemos son geodésicamente completas, o bien porque un observador no es capaz de alcanzar el agujero de gusano, o bien porque si llega, es capaz de atravesarlo sin problemas. - Dado que las geodésicas son una idealización en la cual el tamaño del observador es mucho más pequeño que el tamaño de la variación de la curvatura, también hemos estudiado congruencias de geodésicas para representar observadores con tamaño no despreciable. Demostramos que los componentes individuales del observador no pierden el contacto causal a la hora de atravesar el agujero de gusano, lo cual garantiza la transmisión de interacciones entre ellos. - Dado que al final, la naturaleza de las partículas fundamentales es cuántica, y es descrita de manera más adecuada por una onda, también hemos estudiado la propagación de ondas escalares a través del agujero de gusano. Para ello, hemos separado una onda genérica en ondas parciales, cada una de las cuales se propaga de acuerdo a un potencial efectivo. Encontramos que estas soluciones son regulares en la garganta del agujero de gusano, y las dos soluciones independientes tienen o bien un comportamiento constante, o un comportamiento lineal al cruzarlo. Estos agujeros de gusanos los construimos sin necesidad de materia exótica, al contrario que otras soluciones conocidas en la literatura. Las ecuaciones electromagnéticas y gravitacionales son resueltas en todo el espacio-tiempo, y muestran que no existe una fuente para la carga y la masa del agujero negro, sino que es un producto del campo eléctrico que lo atraviesa. Estas soluciones son consistente con la definicion de Wheeler de geón. A la luz del trabajo realizado en esta tesis, deberíamos reconsiderar nuestro enfoque habitual a la hora de tratar las singularidades. Es posible que no sea un problema que debe resolver gravedad cuántica, sino que quizás es necesario obtener una teoríıa clásica que no tenga ese problema antes de intentar una cuantización. Después de todo, en esta tesis hemos introducido conceptos geométricos que están artificialmente restringidos en Relatividad General. En física del estado sólido, estas herramientas son necesarias para describir un cristal con defectos, mientras que el formalismo Riemanniano sólo es capaz de describir cristales perfectos; y estos defectos son imprescindibles a la hora de describir las propiedades globales del cristal. Esto hace plantearnos cual es la verdadera estructura geométrica del Universo. En esta tesis, hemos considerado que la materia no se acopla a estas nuevas estructuras; pero si lo hiciera, podríamos buscar violaciones del principio de equivalencia de Einstein cerca de las regiones más curvadas del Universo, y queda como una pregunta abierta que debemos resolver.