Black holes, stability and geodesics in modified gravity theories

Show simple item record

dc.contributor Helsingin yliopisto, matemaattis-luonnontieteellinen tiedekunta, fysiikan laitos fi
dc.contributor Helsingfors universitet, matematisk-naturvetenskapliga fakulteten, institutionen för fysik sv
dc.contributor University of Helsinki, Faculty of Science, Department of Physics en
dc.contributor Helsinki institute of physics en
dc.contributor.author Nyrhinen, Hannu fi
dc.date.accessioned 2017-08-07T06:04:39Z
dc.date.available 2017-08-12 fi
dc.date.available 2017-08-07T06:04:39Z
dc.date.issued 2017-08-22 fi
dc.identifier.uri URN:ISBN:978-951-51-1270-5 fi
dc.identifier.uri http://hdl.handle.net/10138/208036
dc.description.abstract For a hundred years Einstein's general relativity (GR) has persisted as the standard model of gravity. To date, no observations conflict it. Moreover, GR has predicted effects that have been later confirmed, such as the deflection of light, the redshift of light in gravitational field, and gravitational waves. Modifications to GR have been studied since the early days of relativistic gravity. In this thesis, we present three projects on different modified gravity models. These include Palatini f(R), bimetric variational principle, and scalar-tensor theories. In Palatini f(R) theories, a function of the Ricci scalar, f(R), acts as the gravitational Lagrangian. The connection is independent of the metric. In GR, the function f(R) = R, and the Einstein equations follow regardless of whether or not the connection is independent. We show that for a system of compact objects, the difference between Palatini f(R) and GR is the scaling of masses. However, without complementary measurement of masses, such systems are observationally indistinguishable. In bimetric variational principle, the independent spacetime connection is constructed of a tensor apart from the physical metric. The physical metric and this new tensor then give the field equations. We study Einstein-Hilbert and f(R) actions of the Ricci scalar of the connection. We use ADM formalism to show that without further constraints the resulting Hamiltonian contains a dynamical variable without a lower bound. This leads to decaying to lower energy states by radiating energy ad infinitum. Hence, these theories are physically unviable. We also study scalar-tensor theories with disformally coupled matter. In these theories matter couples to the scalar field and its derivatives. We focus on a system of disformally coupled matter surrounding a black hole. In Brans-Dicke-type theories such systems suffer from the so called spontaneous scalarisation. In it, the scalar field develops stable scalar hair around the black hole. This conflicts the no-hair theorem according to which the only observable properties of a black hole are its mass, angular momentum, and electric charge. We show that disformal coupling can further destabilise the system. We find a range of disformal coupling strengths where the coupling enhances the scalarisation. Outside this range, the effect of the disformal coupling is stabilising. en
dc.description.abstract Einsteinin yleinen suhteellisuusteoria (YST) on ollut gravitaation standardimalli jo sata vuotta. Se on selvinnyt sen tarkkuutta koettelevista mittauksista, mutta myös ennustanut ilmiöitä, jotka on myöhemmin kokeellisesti havaittu. Tällaisia ovat esimerkiksi valon taipuminen gravitaatiokentässä, gravitaatiopunasiirtymä ja -aallot. Gravitaatioteorioiden kehitys ei kuitenkaan pääty YST:aan. Vaihtoehtoisia malleja alettiin etsiä melkein heti sen vakiinnutettua asemansa. Tässä väitöskirjassa keskitytään kolmeen projektiin, jotka perustuvat eri malleihin: Palatini f(R) -teorioihin, bimetristä variaatioperiaatetta noudattaviin teorioihin ja skalaaritensorigravitaatioon. Palatini f(R) -teorioissa gravitaation liikeyhtälöt ovat YST:aa yleisemmät ja avaruusajan rakennemuuttujia on enemmän. YST on näiden teorioiden erikoistapaus. Johdimme liikeyhtälöt kompaktien kappaleiden, kuten mustien aukkojen, systeemeille Palatini f(R) -teorioissa. Tuloksen perusteella Einsteinin yhtälöiden yleistäminen näin näkyy massojen muutoksena. Sikäli kun massoja ei voi mitata liikeradoista riippumattomalla tavalla, ei f(R)-teorioita voi erottaa YST:sta havainnoin. Bimetristä variaatioperiaatetta noudattavissa teorioissa YST:aan lisätään toinen nk. tensorikenttä. Tutkimuksessamme osoitimme, että tätä periaatetta noudattavat teoriat sisältävät ns. haamuvapausasteen, tässä tapauksessa äärettömän ketjun alemmille energiatasolle. Siirtyminen alemmalle energiatilalle tarkoittaa energian säteilyä, joten tällainen systeemi säteilee äärettömän määrän energiaa. Tämä tilanne on tietenkin epäfysikaalinen. Skalaaritensoriteorioissa tavallisen gravitaatiokentän lisäksi vuorovaikutukseen osallistuu skalaarikenttä. (Tutumpi esimerkki skalaarikentästä on lämpötila, jolla on jokin arvo kaikkialla, mutta ei esim. suuntaa.) Me tutkimme mustaa aukkoa kiertävää ainetta. Vanhastaan tiedetään, että tällaiset systeemit voivat ns. skalarisoitua spontaanisti. Se tarkoittaa, että skalaarikenttä muodostaa mustan aukon ympärille pysyvän rakenteen, jota kutsutaan "skalaarikarvoiksi". Tämä puolestaan on ristiriidassa karvattomuusoletuksen kanssa, jonka mukaan mustan aukon havaittavat ominaisuudet rajoittuvat massaan, pyörimismäärään ja sähkövaraukseen. Tuloksemme perusteella tutkittu nk. disformaalinen kytkentä voi kytkennän voimakkuudesta riippuen joko vahvistaa karvankasvua tai heikentää sitä. fi
dc.format.mimetype application/pdf fi
dc.language.iso en fi
dc.publisher Helsingin yliopisto fi
dc.publisher Helsingfors universitet sv
dc.publisher University of Helsinki en
dc.relation.isformatof URN:ISBN:978-951-51-1269-9 fi
dc.relation.isformatof Helsinki: 2017, HIP Internal Report Series. 1455-0563 fi
dc.relation.ispartof HIP Internal Report Series fi
dc.relation.ispartof URN:ISSN:1455-0563 fi
dc.rights Julkaisu on tekijänoikeussäännösten alainen. Teosta voi lukea ja tulostaa henkilökohtaista käyttöä varten. Käyttö kaupallisiin tarkoituksiin on kielletty. fi
dc.rights This publication is copyrighted. You may download, display and print it for Your own personal use. Commercial use is prohibited. en
dc.rights Publikationen är skyddad av upphovsrätten. Den får läsas och skrivas ut för personligt bruk. Användning i kommersiellt syfte är förbjuden. sv
dc.subject fi
dc.title Black holes, stability and geodesics in modified gravity theories en
dc.type.ontasot Väitöskirja (artikkeli) fi
dc.type.ontasot Doctoral dissertation (article-based) en
dc.type.ontasot Doktorsavhandling (sammanläggning) sv
dc.ths Enqvist, Kari fi
dc.ths Koivisto, Tomi fi
dc.opn van de Bruck, Carsten fi
dc.type.dcmitype Text fi

Files in this item

Total number of downloads: Loading...

Files Size Format View
Blackhol.pdf 1.163Mb PDF View/Open

This item appears in the following Collection(s)

Show simple item record