energia escura e aceleracآ¸ثœao do universo: aspectos ... 99,7%. o melhor ajuste do modelo...

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  • Universidade de São Paulo

    Instituto de Astronomia, Geof́ısica e Ciências Atmosféricas

    Departamento de Astronomia

    José Fernando de Jesus

    Energia Escura e Aceleração do Universo:

    Aspectos Conceituais e Testes

    Observacionais

    São Paulo

    2010

  • José Fernando de Jesus

    Energia Escura e Aceleração do Universo:

    Aspectos Conceituais e Testes

    Observacionais

    Tese apresentada ao Departamento de Astronomia do Ins-

    tituto de Astronomia, Geof́ısica e Ciências Atmosféricas da

    Universidade de São Paulo como parte dos requisitos para

    a obtenção do t́ıtulo de Doutor em Ciências.

    Área de Concentração: Astronomia

    Orientador(a): Prof. Dr. José Ademir Sales de Lima

    São Paulo

    2010

  • Dedico esta tese à minha tia, Luzia, e a minha avó, Benedicta.

  • Agradecimentos

    A Deus, que esteve comigo mesmo antes de eu ter me dado conta disso;

    À minha famı́lia, principalmente minha avó, Benedicta, que já não está mais entre

    nós, mas que me criou e me deu um verdadeiro amor de mãe e minha tia, Luzia, sempre

    presente nos bons momentos e nos momentos dif́ıceis da minha vida, dando sempre palavras

    de apoio e suporte para que eu pudesse priorizar meus estudos;

    Ao meu orientador e amigo Prof. José Ademir Sales de Lima, que me introduziu na área

    da Cosmologia, sempre com boas idéias e discussões frut́ıferas no campo dessa magńıfica

    Ciência, além de me fornecer apoio e incentivo nesta carreira onde tal suporte se faz tão

    necessário;

    Ao Prof. Laerte Sodré Jr., o qual me introduziu no campo da Pesquisa Cient́ıfica,

    sempre me incentivando e disponibilizando-se para a discussão de idéias;

    Aos Professores Ronaldo Eustáquio de Souza, Eduardo Cypriano, Enrique Gaztañaga,

    os quais me incentivaram nas áreas de Ensino e Pesquisa;

    Aos Professores Raul Abramo, Gary Steigman e Beatriz Barbuy, aos quais eu devo

    grande parte do meu conhecimento em Cosmologia;

    A todos os Professores que contribúıram ao meu conhecimento e me incentivaram na

    busca pelo saber;

    Aos colegas: Rodrigo Holanda, Saulo Pereira, João Vital da Cunha Jr., João Maria

    da Silva, Rose Cĺıvia dos Santos, Lúcio Marassi, Francisco Edson da Silva, Vinicius Busti,

    Felipe Andrade Oliveira, Antonio Guimarães, Carlos Bessa e Marc Manera, pelas grandes

    discussões cient́ıficas e amizade;

    Aos amigos Éfeso Grigio, Reginaldo Oliveira, e os amigos do IAG, que fizeram minha

    jornada mais fácil e interessante;

  • Ao CNPq, pelo apoio financeiro, sem o qual a maior parte do trabalho desenvolvido

    nesta Tese não seria posśıvel;

    Ao Instituto de Astronomia, Geof́ısica e Ciências Atmosféricas da USP, pelas ins-

    talações, equipamentos e ótima atmosfera de trabalho;

    À Universidade de São Paulo, pela oportunidade de adquirir conhecimento e por sua

    infra-estrutura como um todo, em especial seus projetos de Bolsa Alimentação, estágios e

    Bolsa Moradia.

    Esta tese/dissertação foi escrita em LATEX com a classe IAGTESE, para teses e dissertações do IAG.

  • “Porque eu sou do tamanho do que vejo

    E não do tamanho da minha altura...”

    Fernando Pessoa

    “A mente que se abre a uma nova idéia

    jamais voltará ao seu tamanho original. ”

    Albert Einstein

  • Resumo

    Na última década, o extraordinário progresso nas observações astronômicas (distâncias

    com supernovas (SNe Ia), espectros de potência da matéria e da radiação cósmica de fundo

    (RCF), determinação do brilho de aglomerados de galáxias, etc.) aliado com importantes

    desenvolvimentos teóricos, transformaram a Cosmologia numa das fronteiras mais excitan-

    tes da ciência contemporânea.

    Nesta tese, diferentes testes observacionais são utilizados para vincular alguns cenários

    cosmológicos acelerados (com e sem energia escura), todos eles definidos no contexto teórico

    da Relatividade Geral.

    Inicialmente, para uma grande classe de modelos com decaimento do vácuo, investiga-

    mos os v́ınculos provenientes da existência de objetos velhos em altos redshifts. No modelo

    de Chen e Wu generalizado, encontramos que o limite para o parâmetro livre descrevendo

    a taxa do decaimento do vácuo é n ≥ 0, 21. Este resultado descarta o modelo de Chen e Wu original (n = 2) e também o modelo de concordância cósmica, ΛCDM (n = 0).

    Além disso, quando inclúımos o fluido bariônico em nossa análise do modelo de Wang e

    Meng, obtemos para seu parâmetro livre um limite inferior, ǫ ≥ 0, 231, um valor em desa- cordo com estimativas independentes baseadas em SNe Ia, RCF e o brilho de Raios-X de

    aglomerados.

    Propusemos também um teste estat́ıstico com base nas idades estimadas para uma

    amostra de 13 galáxias velhas em altos redshifts. Através de uma análise conjunta en-

    volvendo as idades das galáxias e as oscilações acústicas dos bárions (BAO), vinculamos

    o valor da constante de Hubble no contexto do modelo ΛCDM plano. Considerando um

    tempo de incubação adotado por diferentes autores, obtemos h = 0, 71 ± 0, 04 (1σ), um resultado de acordo com observações independentes baseadas em Cefeidas (obtidas com o

  • Hubble Space Telescope) e outras estimativas mais recentes.

    Outro resultado interessante foi obtido através de uma análise termodinâmica para uma

    classe de modelos com interação no setor escuro (matéria escura-energia escura). Contra-

    riamente ao que se pensava até então, encontramos que a termodinâmica permite que a

    matéria escura decaia em energia escura, contanto que ao menos uma das componentes pos-

    sua um potencial qúımico não-nulo. Como complemento, mostramos que, para um termo

    de interação espećıfico, dados de SNe Ia, BAO e RCF favorecem o decaimento da matéria

    escura com ∼ 93% de confiança estat́ıstica. Investigamos também o comportamento do redshift de transição em diferentes cosmologias, com e sem energia escura, e mostramos

    que essa quantidade pode ter uma variação extrema dependendo do modelo cosmológico

    subjacente.

    Finalmente, discutimos também um novo modelo cosmológico cuja aceleração em bai-

    xos redshifts é determinada pela criação de part́ıculas da matéria escura fria. O modelo

    representa uma redução do setor escuro, isto é, não tem energia escura, contém apenas um

    parâmetro livre e satisfaz os v́ınculos de Supernovas do tipo Ia tão bem quanto o modelo

    ΛCDM padrão.

  • Abstract

    In the last decade, the extraordinary progress of the astronomical observations (dis-

    tances with supernovas, matter and cosmic background radiation (CBR) power spectrum,

    X-ray surface brightness of galaxy clusters, etc) associated with important theoretical de-

    velopments turned Cosmology one of the most exciting frontiers of contemporary science.

    In this thesis, different observational tests are used to constrain several cosmological

    accelerating scenarios (with and without dark energy), all of them defined in the theoretical

    framework of General Relativity.

    Initially, for a large class of decaying vacuum models, we investigate the constraints

    provided by the existence of old high redshift objects. In the model proposed by Chen and

    Wu, we find that the limit for the free parameter describing the decay rate of the vacuum

    fluid is n ≥ 0.21. This result ruled out the original Chen and Wu model (n = 2) and also the cosmic concordance model, ΛCDM (n = 0). Further, when we include the baryonic

    fluid in our analysis of the Wang and Meng model, we find for its free parameter a lower

    bound, ǫ ≥ 0.231, a value in disagreement with independent estimates based on SNe Ia, CMB (shift parameter) and the X-ray surface brightness of galaxy clusters.

    We also propose a new cosmological statistical test based on the estimated ages of 13

    old high redshift galaxies. By performing a joint analysis involving the ages of the galaxies

    and the baryon acoustic oscillations (BAO) probe, we constrain the value of the Hubble

    parameter in the context of the flat ΛCDM model. For an incubation time adopted by

    different authors, we find h = 0.71 ± 0.04 (1σ), a result in agreement with independent observations based on Cepheids (obtained with the Hubble Space Telescope) and other

    recent estimations.

    Another interesting result has been derived from a thermodynamic analysis for a class

  • of models endowed with interaction in the dark sector (dark matter and dark energy).

    In contrast with some results appearing in the literature, we show that the decaying of

    cold dark matter into dark energy is not forbidden by thermodynamics, provided that the

    chemical potential of one component is different from zero. As a complement, we also show

    (for a specific term describing the interaction) that this kind of decaying is favored by SNe

    Ia, BAO and CMB data with ∼ 93% of statistical confidence. We also investiga