Dynamics of boson stars and fermion-boson stars: A numerical-relativity panorama

• Autores: Fabrizio Di Giovanni
• Directores de la Tesis: Pablo Cerdá Durán (dir. tes.) , José Antonio Font Roda (codir. tes.) , Nicolás Sanchis Gual (codir. tes.)
• Lectura: En la Universitat de València ( España ) en 2023
• Idioma: inglés
• Tribunal Calificador de la Tesis: Carlos Alberto Ruivo Herdeiro (presid.) , Isabel Cordero Carrión (secret.) , Helvi Witek (voc.)
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• Resumen

  • Los albores de la astronomía de ondas gravitacionales, actualmente liderada por la Colaboración LIGO-Virgo-KAGRA, abren un nuevo canal para inspeccionar la verdadera naturaleza de los objetos compactos oscuros. Los miembros más convincentes de esta categoría son los agujeros negros, de los que se cree ampliamente que están bien descritos por la métrica de Kerr cerca del equilibrio. Se han propuesto varias posibilidades teóricas más exóticas, denominadas imitadores de agujeros negros, ya que sus propiedades y dinámica se parecen en ciertos aspectos a las de los agujeros negros. Entre esos objetos compactos oscuros alternativos, las estrellas bosónicas, descritas por un campo escalar o vectorial, se consideran un candidato sólido y viable, ya que, al menos en simetría esférica, han demostrado ser perturbativamente estables y cuentan con un sólido mecanismo dinámico de formación. Los resultados que se presentan en esta tesis amplían el estudio de las propiedades dinámicas de tales objetos, analizando por primera vez la estabilidad y la formación dinámica de estrellas bosónicas con rotación y introduciendo nuevas familias de soluciones al considerar configuraciones de múltiples campos y frecuencias. Estas investigaciones de muestran que el paralelismo entre las estrellas de bosones escalares y las estrellas vectoriales (Proca) se rompe -- las mini-estrellas de bosones escalares con rotación son todas inestables debido a la aparición de una inestabilidad no axisimétrica mientras que las estrellas Proca con rotación presentan una rama estable como ocurre en el caso de simetría esférica.

    Si existen campos bosónicos ultraligeros, es natural especular si los objetos que son una mezcla de partículas bosónicas y fermiónicas también podrían existir en la naturaleza. Estos compuestos macroscópicos se conocen en la literatura como estrellas de fermiones y bosones. La mayor parte de mi investigación se ha dedicado a investigación de tales objetos, complementando y ampliando hallazgos anteriores. He construido configuraciones de equilibrio de estrellas de fermiones y bosones con diferentes potenciales de campo escalar, y he investigado su estabilidad lineal mediante el análisis de sus puntos críticos. He realizado evoluciones de relatividad numérica para confirmar los resultados del análisis lineal y caracterizar la formación dinámica de tales objetos mediante la acreción de un campo escalar desde una nube bosónica a una estrella de neutrones ya formada. Además, he considerado modelos con ecuaciones de estado realistas para la materia bariónica y diferentes contribuciones bosónicas, y he construido curvas en el diagrama masa-radio para compararlos con datos observacionales multimensajero procedentes de eventos de ondas gravitacionales y de los experimentos NICER y XMM-Newton. Por último, como miembro de la Colaboración Virgo, he examinado las formas de ondas gravitacionales producidas en diferentes escenarios que implican objetos exóticos compactos: \textit{(i)} de las deformaciones de estrellas bosónicas con rotación inestables; \textit{(ii)} de colisiones frontales y fusiones de estrellas Proca y \textit{(iii)} de deformaciones tipo barra en estrellas de neutrones, centrándose en cómo la presencia de campos bosónicos puede afectar a su dinámica y a la emisión GW.