Evolución cosmológica de agujeros negros y su relación con la segunda ley de la Termodinámica

73 Pages·2015·2.97 MB·Spanish

Universidad Nacional de La Plata
Facultad de Ciencias Astron´omicas y Geof´ısicas
Tesis para obtener el grado acad´emico de
Licenciado en Astronom´ıa
Evolucio´n cosmolo´gica de agujeros negros
y su relacio´n con la
segunda ley de la Termodina´mica
Federico Gaston Lopez Armengol
Director: Gustavo E. Romero
Co-directora: Daniela P´erez
La Plata, Argentina
- Febrero de 2015 -

A mis padres,
Bernardo y Mar´ıa de la Paz.

Prefacio
De nin˜o, nunca quise dedicarme a la ciencia. Siempre me sedujeron las disciplinas
art´ısticas. Sin embargo aqu´ı estoy, presentando felizmente mi tesis de licenciatura en As-
tronom´ıa.
Las oraciones anteriores pueden parecer discordantes, pero no lo son. Es verdad que
hacer ciencia inluye tareas sist´emicas, l´ogicas y controladas pero, previamente, incluye
tareas guiadas por la intuici´on, la imaginaci´on y la creatividad. A lo largo de esta carrera,
descubr´ı mi pasi´on por estas actividades y me entusiasma saber que voy a trabajar en
ellas.
Dicho esto, presento esta tesis como parte de los requisitos para obtener el grado
acad´emicodeLicenciadoenAstronom´ıadelaUniversidadNacionaldeLaPlata.Lamisma
contiene los resultados de los estudios desarrollados bajo la direcci´on del Dr. Gustavo E.
Romero y la co-direcci´on de la Lic. Daniela P´erez, junto con la colaboraci´on de otros
investigadores miembros del Grupo de Astrof´ısica Relativista y Radioastronom´ıa.
Federico Gaston Lopez Armengol.
e-mail: [email protected]
La Plata, febrero de 2015.
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Resumen
A partir de enunciados de leyes invariantes ante inversi´on y traslaci´on temporal, resul-
tan procesos macrosc´opicos irreversibles. La fuente de irreversibilidad no se encuentra en
las leyes mismas sino en las condiciones de borde o iniciales que exigimos a las ecuaciones
que representan las leyes. En este trabajo, proponemos que el apantallamiento de corrien-
tes electromagn´eticas por el horizonte de eventos de un agujero negro en las soluciones a
lasecuacionesdeMaxwelldetermina,localmente,unadirecci´onpreferencialtemporalpara
elflujodeenerg´ıaelectromagn´eticaquesiguealaexpansi´ondeluniverso.Espec´ıficamente,
calculamoselcrecimientodel´areadelhorizontedeeventosdeunagujeronegrodebidoala
expansi´ondel universo ya laacreci´on defotones delfondoc´osmicode microondas (CMB),
para distintos modelos cosmol´ogicos. Encontramos que, para los modelos cosmol´ogicos de
Friedmann plano, abierto y cerrado, el cociente entre el ´area del horizonte de eventos de
un agujero negro y el ´area de una hipersuperficie de tipo espacio com´ovil a la expansi´on
c´osmica, es siempre mayor que uno. Esto implica que, para cualquier evento, el pasado
y futuro causal no son sim´etricos, generando un flujo de de energ´ıa electromagn´etica no
nulo hacia el futuro global que sigue la expansi´on del universo; relacionamos este flujo
electromagn´etico con la segunda ley de la Termodin´amica.
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Abstract
Macroscopic irreversible processes emerge from fundamental physical laws of reversi-
ble character. The source of the local irreversibility observed, seems not to be in the laws
themselves but in the initial and boundary conditions of the equations that represent the
laws. In this work we propose that the screening of electromagnetic currents by black
hole event horizons in the solution of Maxwell’s equations determines, locally, a preferred
temporal direction for the flux of electromagnetic energy that follows the expansion of the
universe. Specifically, we calculate the growth of black hole event horizons due to the cos-
mologicalexpansionandaccretionofcosmicmicrowavebackgroundradiation,fordifferent
cosmological models. We find that for the flat, open, and closed Friedmann cosmological
models, the quotient of the area of the black hole event horizon and the area of a como-
ving space-like hypersurface is always larger than one. This implies that for any spacetime
event, its causal past and future are not symmetric, causing a preferred direction for the
electromagnetic energy flux in the global future direction; the latter is in turn related to
the ever increasing thermodynamic entropy.
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