Critical metrics of the functional volume and non-existence of multiple black holes in static space-time

This work is divided in two parts. In the first one we prove a Böchner type formula for critical metrics of the volume functional on compact manifolds with fixed metric on boundary (such critical metrics are called Miao-Tam critical metrics). As an application, we derive an integral formula that will be crucial to deduce a generalization of a result obtained by Miao and Tam in 2011 for the Einstein case. More precisely, we prove that a Miao-Tam critical metric with parallel Ricci curvature must be isometric to a geodesic ball in a simply connected space form Rn, Sn or Hn. Furthermore, in dimension 3, we prove that critical metrics with non-negative sectional curvature are precisely geodesic balls of R3 or S3. Moreover, we generalize a result due to Kim and Shin (2016), replacing the harmonic Weyl tensor condition by the second order divergence free Weyl tensor condition (i.e., div2W = 0), which is weaker that the former. To be precise, we shall show that a 4-dimensional Miao-Tam critical metric, with boundary isometric to a standard sphere S3 and satisfying div2W = 0 is isometric to a geodesic ball in a simply connected space form R4, S4 or H4. At the same time, we get some rigidity results for positive static triples. In the second part, we study static vacuum space-times, which can be seen as a special case of the V-static metrics for complete Riemannian manifolds with null scalar curvature. In this case, we focus our attention on four dimensions. We prove that there are no multiple black holes on static vacuum space-times with half harmonic Weyl tensor (i.e., divW+ = 0).Esse trabalho está dividido em duas partes. A primeira delas está relacionada ao estudo de fórmulas tipo-Böchner para métricas críticas do funcional volume em variedades compactas com métrica fixada no bordo (estas são conhecidas como métricas críticas de Miao-Tam). Como aplicação, estabeleceremos uma fórmula integral que permitirá generalizar o resultado obtido por Miao e Tam em 2011 para o caso Einstein, mais precisamente, provaremos que métricas críticas de Miao-Tam com curvatura de Ricci paralelo são isométricas às bolas geodésicas em um espaço forma simplesmente conexo Rn, Sn ou Hn. Se nos restringirmos às variedades com dimensão 3, veremos que tais estruturas se mostram ainda mais rígidas, a saber, provaremos que métricas críticas com curvatura seccional não-negativa são precisamente as bolas geodésicas de R3 ou S3. Além disso, generalizamos o resultado obtido por Kim e Shin (2016) substituindo condição de harmonicidade do tensor de Weyl pela hipótese que o tensor de Weyl tem divergente de segunda ordem nulo (i.e., div2W = 0). Mais precisamente, mostraremos que métricas críticas de Miao-Tam em dimensão 4, com bordo isométrico a esfera S3 e satisfazendo div2W = 0, são isométricas às bolas geodésicas em um espaço forma simplesmente conexo R4, S4 ou H4. Concomitantemente, obtemos resultados de rigidez para triplas estáticas positivas. Na segunda parte do trabalho, estudaremos o espaço-tempo estático no vácuo, o qual pode ser visto como um caso especial das mátricas V-estáticas para variedades completas com curvatura escalar nula. Neste caso, restringiremos nosso estudo a quarta dimensão e provaremos que não existem múltiplos buracos negros em um espaço-tempo estático no vácuo com a parte autodual do tensor de Weyl harmônico (i.e., divW+ = 0)