Superradiance in black holes: Introduction to the black hole physics

Abstract

Abstract: The phenomenon of superradiance in black holes is a consequence of the Kerr metric, due to the appearance of the ergosphere. This process is explained in a context of thermodynamics and quantum mechanics, from a model of interaction between a quantum field and a thermal bath. It explains the relationship between the population of high energy modes in a quantum field and the amplification of radiation after interacting with a black hole. Previously, the classic predecessor of superradiance, the Penrose process, is addressed for a better understanding. Two of the main mechanisms that could generate observable astrophysical evidence are studied: the interaction of a black hole with ultralight bosons and the production of energy in the jets of AGNs.

Resumen: El fenómeno de la superradiancia en agujeros negros, es una consecuencia de la métrica de Kerr, debido a la aparición de la ergosfera. Este proceso es explicado en un contexto de la termodinámica y la mecánica cuántica, a partir de un modelo de interacción entre un campo cuántico y un baño térmico. Se explica la relación entre la población de modos de alta energía en un campo cúantico con la amplificación de una radiación tras interactuar con una agujero negro. Previamente se aborda el predecesor clásico de la superradiancia, el proceso de Penrose, para un mejor entendimiento. Se estudian dos de los principales mecanismos que podrían generar evidencias astrofísicas observables: la interacción de un agujero negro con bosones ultraligeros y la producción de energía en los jets de los AGNs.