Black holes and cosmology: from local to global through graviton squeezing

Abstract

Black holes, (quantum) gravitational waves, axions and the gravitational Chern-Simons (CS) theory are the main ingredients of the PhD thesis at hand. Black holes (BH) and gravitational waves (GW) are the two cornerstone predictions of General Relativity (GR), the theory that linked the notion of gravity with the dynamical nature of the spacetime itself. While both of them formally predicted at the second decade of 20th century, with the advent of GR, we have only recently strong indications for their existence in nature. On the other hand, axions or Axion-Like-Particles (ALPs), which are strongly connected with CS gravity, are still theoretical models - without experimental verification - proposed to solve still unanswered discrepancies between the existing theory and observations. As we will see, ALP fields arise naturally as a dynamical degree of freedom, manifesting spacetime torsion, an other geometric property of spacetime, beyond its curvature, that can be triggered, for example, by the spin of fundamental particles. This thesis, is an attempt of examining some properties of BH, in the context of classical field theory of GR, especially from the point of view of their interaction with matter fields, with ALPs included. This will be set by the point of view of the modern formulations of no - hair theorems, which state that BH cannot be accompanied by matter fields. However, evasions of such theorems have been appeared in the literature for many years. In here, we examine such issues, looking for axions around BH in the context of the CS gravitational theory, while also on how one can ``dress`` BH with matter, maintaining the energy conditions. Furthermore, we will examine some thermodynamical properties of such systems. After these considerations, we turn our attention on CS gravity and ALPs from the point of view of their cosmological consequences. In brief, we will examine a mechanism for producing inflation at the early epoch of our universe, without the need of external inflaton fields. The basic mechanism lies on the condensation of the higher curvature term of CS gravity, through chiral primordial GWs. This latter approach, assumes that gravitons exist and can be described properly by an Effective Field Theory (EFT) approach of the gravitational interaction. In other words, such an approach mainly assumes that the gravitational radiation is quantized. This is the point that the last part of this thesis tries to examine. The basic question is the following: Can we detect quantum signatures on the GW signals that we are currently observe? Squeezed states of gravitons, which are collective graviton states without classical analog, have been only recently introduced in the literature as the most favorable candidates for observing such quantum signals. Although, inflation has been so far the only source of such states. In the last part of this thesis, we are trying to examine on whether there might be sources of astrophysical origin that should produce squeezed states of gravitons, in an attempt to start filling this gap in the literature. In this endeavor of ours, ALPs, quantized gravitational radiation and BH are connected and hopefully contribute some promising insights in this newly research direction of the scientific community.

Οι μελανές οπές, τα (κβαντικά) βαρυτικά κύματα, τα αξιόνια και η βαρυτική θεωρία Chern-Simons (CS) αποτελούν τα κύρια αντικείμενα της παρούσας διδακτορικής διατριβής. Οι μελανές οπές (BHs) και τα βαρυτικά κύματα (GWs) αποτελούν δύο θεμελιώδεις προβλέψεις της Γενικής Σχετικότητας (GR), της θεωρίας που καθιέρωσε τη δυναμική φύση του χωροχρόνου. Παρότι και τα δύο προβλέφθηκαν ήδη από τις αρχές του 20ού αιώνα, ισχυρές παρατηρησιακές ενδείξεις έχουν προκύψει μόλις πρόσφατα. Τα αξιόνια, ή ορθότερα τα αξιονοειδή σωματίδια (Axion-Like Particles, ALPs), τα οποία σχετίζονται στενά με τη βαρυτική θεωρία CS, παραμένουν θεωρητικές κατασκευές που προτάθηκαν για την επίλυση αποκλίσεων μεταξύ θεωρίας και παρατηρήσεων. Τα πεδία αυτά μπορούν να προκύψουν φυσικά ως δυναμικοί βαθμοί ελευθερίας που συνδέονται με τη στρέψη του χωροχρόνου—μια επιπλέον γεωμετρική ιδιότητα πέραν της καμπυλότητας. Σε γενικές γραμμές, η διατριβή εξετάζει ιδιότητες των μελανών οπών στο πλαίσιο της κλασικής Γενικής Σχετικότητας, ιδίως την αλληλεπίδρασή τους με πεδία ύλης, συμπεριλαμβανομένων των ALPs. Επανεξετάζει σύγχρονες διατυπώσεις των θεωρημάτων «απουσίας κώμης των μελανών οπών» και διερευνά τρόπους παράκαμψής τους, επιτρέποντας στις μελανές οπές να υποστηρίζουν μη τετριμμένες διαμορφώσεις ύλης στο εξωτερικό του ορίζοντά τους. Παράλληλα, μελετώνται οι θερμοδυναμικές ιδιότητες τέτοιων συστημάτων. Στη συνέχεια, η εργασία μεταβαίνει στις κοσμολογικές συνέπειες της θεωρίας CS και των ALPs, προτείνοντας μηχανισμούς πληθωρισμού που καθοδηγούνται από βαρυτικά φαινόμενα αντί από εξωτερικά βαθμωτά πεδία. Ο βασικός μηχανισμός βασίζεται στη συμπύκνωση όρων υψηλότερης καμπυλότητας της θεωρίας CS μέσω χειραλικών αρχέγονων βαρυτικών κυμάτων. Η προσέγγιση αυτή προϋποθέτει ότι τα βαρυτόνια υπάρχουν και μπορούν να περιγραφούν επαρκώς μέσω μιας ενεργής θεωρίας πεδίου (EFT) της βαρυτικής αλληλεπίδρασης· με άλλα λόγια, ότι η βαρυτική ακτινοβολία είναι κβαντισμένη.Αυτό ακριβώς το σημείο διερευνά περαιτέρω το τελευταίο μέρος της διατριβής. Το βασικό ερώτημα είναι το εξής: Μπορούμε να ανιχνεύσουμε κβαντικά φαινόμενα στα σήματα βαρυτικών κυμάτων που παρατηρούμε σήμερα; Οι συμπιεσμένες καταστάσεις βαρυτονίων (squeezed states), οι οποίες αποτελούν συλλογικές καταστάσεις χωρίς κλασικό ανάλογο, έχουν μόλις πρόσφατα προταθεί στη βιβλιογραφία ως οι πλέον κατάλληλοι υποψήφιοι για την παρατήρηση τέτοιων κβαντικών σημάτων. Μέχρι σήμερα, ο πληθωρισμός αποτελεί τη μοναδική γνωστή πηγή τέτοιων καταστάσεων. Το τελευταίο μέρος της διατριβής εξετάζει κατά πόσο μπορεί να υπάρχουν πηγές αστροφυσικής προέλευσης που να παράγουν τέτοιες καταστάσεις, επιχειρώντας να καλύψει αυτό το κενό στη βιβλιογραφία. Στην προσπάθεια αυτή, τα ALPs, η κβαντισμένη βαρυτική ακτινοβολία και οι μελανές οπές συνδέονται, προσφέροντας ενδεχομένως νέες και ελπιδοφόρες προοπτικές σε αυτή τη σύγχρονη ερευνητική κατεύθυνση της επιστημονικής κοινότητας.