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En la presente tesis estudiamos diversos procesos asociados con agujeros negros astrofísicos; en particular, la estructura interna de los agujeros negros, la naturaleza de la entropía gravitacional, el proceso de acreción de materia por agujeros negros en régimen de campo fuerte y sistemas binarios de agujeros negros supermasivos. Analizamos también el rol de los agujeros negros en la caracterización de la Segunda Ley de la Termodinámica e implicaciones de los agujeros negros para teorías sobre la naturaleza del espacio-tiempo. Por último indagamos sobre la existencia misma de estos objetos y la posibilidad de que sistemas dinámicos en colapso puedan simular todas las propiedades que solemos atribuir a los agujeros negros estáticos. En lo que respecta a la estructura interna de los agujeros negros, analizamos las propiedades termodinámicas de un modelo para el interior de un agujero negro regular estático y esféricamente simétrico. Obtenemos las ecuaciones para las cantidades termodinámicas válidas para un perfil de densidad arbitrario. A partir de estas ecuaciones mostramos que el modelo es termodinámicamente inestable. Asimismo, presentamos un análisis donde se pone en evidencia la inestabilidad dinámica del fluido. Indagamos en la naturaleza de la entropía gravitacional mediante el análisis de dos estimadores clásicos basados en escalares construidos a partir del tensor de Weyl. Calculamos el primer estimador para agujeros negros de Reissner-Nordström, Kerr, Kerr-Newman, para un modelo particular de agujero de gusano y agujero negro regular estudiado anteriormente. Para el caso del segundo estimador, calculamos la densidad de energía gravitacional, la temperatura gravitacional y la entropía gravitacional en el espacio-tiempo de Kerr. En ambos casos, comparamos los resultados obtenidos para los distintos espacio-tiempos con la correspondiente entropía de Bekenstein-Hawking para determinar cuál de los estimadores representa mejor el comportamiento esperado para la entropía del campo gravitacional de los agujeros negros. En el marco de teorías alternativas de la gravitación, calculamos la distribución espectral de energía de discos de acreción entorno a agujeros negros de f(R)-Schwarzschild y f(R)-Kerr. Además utilizamos datos recientes de la binaria de gran masa Cygnus X-1 para limitar los valores de los parámetros de una clase de modelos con gravedad descripta por una teoría f(R). Analizamos, también, las propiedades radiativas de un sistema binario de agujeros negros supermasivos, suponiendo que el agujero negro primario lanza un jet relativista y que debido a los torques ejercidos por el agujero negro secundario, una zona de vaciamiento (gap) anular aparece en el disco de acreción. Calculamos el espectro modificado de radiación del disco teniendo en cuenta los efectos de campo gravitacional fuerte en la región más interna del mismo. Por otro lado, investigamos si la interacción de los electrones relativistas con los fotones emitidos por el disco de acreción inducen algún tipo de característica peculiar en la distribución espectral de energía del jet que permita identificar la presencia de un agujero negro secundario. Proponemos que el apantallamiento de cargas por horizontes cosmológicos, para modelos de universo en expansión acelerada, y por horizontes de eventos, para modelos cosmológicos de Friedmann (i.e. sin expansión acelerada) determina, localmente, una dirección preferencial para el flujo de energía electromagnética. En el caso de modelos cosmológicos de Friedmann calculamos el crecimiento del horizonte de eventos debido tanto a la expansión cosmológica como a la acreción de fotones del fondo cósmico de radiación. Definimos un factor de llenado como el cociente entre el área total del horizonte de eventos y el área de una hipersuperficie radial co-móvil tipo espacio, y encontramos que este factor es mayor a 1 para los modelos de Friedmann plano, abierto y cerrado. Esto implica que para cualquier evento del espacio-tiempo su pasado y futuro causal no son simétricos, dando lugar a un flujo de Poynting neto en la dirección global futura; esto último está a su vez relacionado con el hecho de que la entropía termodinámica siempre crece. Por último, exponemos una conexión entre las cuatro flechas del tiempo distintas: cosmológica, electromagnética, gravitacional, y termodinámica. En relación a las implicaciones de los agujeros negros para teorías del espacio-tiempo, se confronta la tesis del presentismo con física relativista, en el límite de régimen de campo gravitacional fuerte que es donde tiene lugar la formación de agujeros negros. Concluimos que la posición del presentista no es compatible con la existencia de los agujeros negros y otros objetos compactos en el universo. Una revisión de dicha tesis es necesaria, si pretende ser consistente con la visión científica actual del universo. Investigamos la posible existencia de una situación donde el colapso gravitacional sea revertido antes de la aparición de un horizonte de eventos, generándose objetos astronómicos cuyas características sean indistinguibles de los agujeros negros estáticos sobre escalas temporales mayores que el tiempo de Hubble. Para ello resolvemos las ecuaciones de campo de Einstein para una nube en colapso gravitacional. La ecuación de estado se comporta como materia normal a bajas densidades mientras que a altas densidades, hacia el núcleo del objeto, tiene un comportamiento repulsivo. Obtenidos los coeficientes de la métrica, mostramos la ausencia de superficies atrapadas. La tesis ofrece una visión integral de la física de los agujeros negros y soluciones a varios de los principales problemas que la misma presenta. Desde la problemática de la naturaleza de la región central de los agujeros hasta sus efectos cosmológicos, en esta tesis reportamos investigaciones sistemáticas de un programa de largo alcance que seguirá siendo investigado en los años por venir.

Aproximadamente ∼ 0.4 Myr después del Big Bang, el Universo se enfrió permitiendo la formación de hidrógeno neutro en el medio intergaláctico. Sin embargo, ∼1 Gyr después del Big Bang, luego de la formación de las primeras galaxias, el medio intergaláctico se encontraba nuevamente ionizado. La naturaleza de las fuentes que proveyeron la energía necesaria para reionizar el Universo es aún tema de debate. A pesar de que se atribuye a los fotones  ultravioleta emitidos por las primeras poblaciones estelares la mayor parte de la reionización, se ha propuesto que la radiación X emitida por las binarias de rayos X de alta masa (HMXBs)  podría haber contribuido a la ionización y al calentamiento del
medio a gran escala. La importancia del efecto de estas fuentes en el Universo primordial depende del tamaño de las poblaciones, de las características de la emisión y de su interacción con el medio
circundante.
En este contexto, en la presente Tesis analizamos el supuesto  incremento en el número y la luminosidad de las binarias de rayos X de alta masa en galaxias de baja metalicidad. Para corroborar esta hipótesis, compilamos de la literatura una muestra observacional del tamaño y la luminosidad en X de poblaciones de HMXBs en galaxias cercanas, con estimaciones de metalicidad y tasa de formación estelar. Mediante inferencia bayesiana  ajustamos modelos de la dependencia en la metalicidad del tamaño y la luminosidad de estas poblaciones. Concluimos que las HMXBs son típicamente diez veces más numerosas por unidad de tasa de formación estelar en galaxias de baja metalicidad (12+log(O/H)<8 que equivale a <20% solar) que en galaxias con metalicidad solar. La dependencia de la luminosidad de las HMXBs en la metalicidad es pequeña comparada con la del  tamaño de la población. Estos resultados refuerzan la necesidad de considerar el feedback en forma de rayos X y flujos de materia de estas fuentes energéticas en el Universo temprano.
Algunas binarias de rayos X, conocidas como microcuásares  (MQs) expulsan chorros colimados de materia relativista (jets) que interactúan con el medio circundante. En esta Tesis exploramos la contribución de los electrones acelerados en los jets de microcuásares al calentamiento y la ionización del medio intergaláctico durante la Época de Reionización. Desarollamos simulaciones tipo Monte Carlo de la propagación y deposición de energía de dichos electrones en su trayectoria a través del medio,
y encontramos que los MQs contribuyen significativamente al calentamiento del medio intergaláctico pero que solo ionizan cerca de las galaxias. Su efecto al calentamiento es del mismo orden de magnitud que el de los rayos cósmicos acelerados en supernovas.

Distintas observaciones han sugerido la existencia de agujeros negros con masas intermedias entre los agujeros negros de masa estelar y los supermasivos. Estudios teóricos y numéricos indican que los cúmulos globulares son los principales candidatos a albergar tales objetos, sin embargo su existencia es aún tema de debate. En esta tesis se investigan los efectos dinámicos que un hipotético IBMH genera en el medio circundante. Se desarrollan modelos hidrodinámicos para el proceso de acreción sobre el mismo, y se buscan observables que permitan establecer la presencia del IBMH y sus propiedades. Dichos modelos surgen de extender el de Bondi-Hoyle, con el fin de analizar el fenómeno en un escenario más realista. Se investiga la acreción de fluidos cosmológicos y del medio interestelar, buscando correlacionar los parámetros estructurales del cúmulo huésped con la tasa de acreción e investigar el impacto de los parámetros intrínsecos del modelo. Las predicciones de los modelos se contrastan con distintas observaciones disponibles en la literatura, entre ellas la luminosidad de las fuentes X en el centro de los cúmulos globulares, la densidad del medio interestelar de los mismos, y el enrojecimiento producido por el polvo presente en ellos.

La teoría de gravedad de Lovelock es la extensión natural de la teoría de Einstein a dimensiones mayores que cuatro. Esta es una teoría de gran importancia en física teórica ya que incluye a la Relatividad general y a las llamadas Gravedades de Chern-Simons como ejemplos particulares. Además, la teoría de Lovelock emerge como una corrección de segundo orden en la parte gravitacional de la acción efectiva de bajas energías de ciertas teorías de cuerdas. En esta tesis, estudiamos soluciones de agujero negro y solitones gravita- torios en la teoría de Lovelock. Comezamos nuestro estudio discutiendo las motivaciones para considerar esta teoría de gravedad en particular. Luego, revemos cómo, en el régimen de distancias cortas, la física de los agujeros negros resulta modificada con respecto a lo que aprendimos de la mano de la Relatividad General. Discutimos en detalle los aspectos geométricos y termodinámicos. Luego, atacamos el problema de incluir términos de borde, y usamos éstos para construir soluciones de vacío que pueden ser pensadas como solitones gravitatorios de la teoría de Lovelock en cinco dimensiones. Analizamos detalladamente la (in)estabilidad y la estructura global de las nuevas soluciones. De la gran familia de nuevas soluciones que encontramos, prestamos particular atención a las soluciones de vacío tipo wormhole y tipo vacuum-shells, esféricamente simétricas. La existencia de este tipo de solu- ciones nos lleva a mostrar que los teoremas tipo Birkhoff en la teoría de Lovelock resultan ser válidos sólo localmente, a diferencia de lo que ocurre en la teoría de Einstein. También estudiamos la naturaleza de la singularidad en la teoría de Lovelock. En esta teoría, existen soluciones de masa positiva que, aún así, exhiben singularidades de curvatura desnudas. Probamos que, cuando estas singularidades son analizadas con el método de quantum probes, estos espacios singulares pueden ser considerados como regulares en el con- texto cuántico. Esta tesis está basada en los resultados que la autora ha publicado en las referencias [81, 80, 82]. El contenido también fue presentado por la autora en dos seminarios dictados en el Martin A. Fisher Physics Department de Brandeis University.