Publicação: Testing cosmological models using state-of-the-art galaxy surveys
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Data
Autores
Orientador
Rosenfeld, Rogério 
Coorientador
Pós-graduação
Física - IFT
Curso de graduação
Título da Revista
ISSN da Revista
Título de Volume
Editor
Universidade Estadual Paulista (Unesp)
Tipo
Tese de doutorado
Direito de acesso
Acesso aberto
Resumo
Resumo (português)
As últimas décadas viram gigantes avanços na cosmologia, tanto teóricos quanto experimentais. Há pouco mais de cem anos, Edwin Hubble obtia as primeiras evidências da expansão do Universo, através da luminosidade de "nébulas". Hoje, conseguimos modelar a abundância de elementos atômicos primordiais usando a teoria da Nucleosíntese do Big Bang, que usa a termodinâmica de fluidos cosmológicos para inferir a razão de massa entre elementos atômicos em estrelas. Conseguimos também prever anisotropias da Radiação Cósmica de Fundo, previsões confirmadas por experimentos de alta resolução angular. Conseguimos fazer o levantamento de milhões de galáxias, estudar correlações estatísticas na população levantada, observando efeitos cosmológicos previstos utilizando teoria de perturbação cosmológica. O sucesso de tais experimentos, entretanto, levantou enormes questões teóricas. Existem evidências de uma matéria escura, que se comporta como uma partícula massiva que não interage sob nenhuma interação fundamental conhecida no Modelo Padrão de Física de Partículas. Ainda mais, também existem evidências de que a expansão do Universo atualmente é acelerada. De acordo com a Relatividade Geral, isso só é possível devido a uma energia escura, um fluido de pressão negativa, que é a forma de energia mais abundante no Universo. A natureza dessa energia escura é desconhecida. O modelo mais simples que a descreve é de uma constante cosmológica, uma densidade de energia constante e igualmente distribuída pelo espaço. Finalmente, também existem evidências de uma época de expansão acelerada do Universo logo após o Big Bang, período conhecido como inflação, e cujo mecanismo ainda é desconhecido.
Estas e outras perguntas motivam uma ampla gama de experimentos cosmológicos com o intuito de entender melhor a natureza da matéria e energia escuras, além da inflação. Hoje em dia, contamos com uma ampla miríade de dados observacionais cada vez mais precisos, cada qual sensível a diferentes aspectos da teoria cosmológica e cada qual com sua previsão para parâmetros do modelo. Com o aumento gradual da precisão dos experimentos, alguns começaram a discordar entre si quanto à previsão de parâmetros. Tais discordâncias, conhecidas como tensões, podem algumas vezes ser aliviadas a partir de diferentes tratamentos de erros sistemáticos. Algumas tensões, como a tensão de Hubble, são tão graves que não possuem tratamento sistemático que consiga aliviá-las. A falta de soluções às tensões motivou a investigação de modelos de energia escura alternativos, que consigam acomodar os dados discordantes. Nesta tese, apresento o modelo cosmológico $\Lambda$CDM, amplamente utilizado para prever observações de distâncias, das anisotropias da CMB, modelar a formação da estrutura em grande escala do Universo, dentre vários efeitos observáveis. Apresento também análise Bayesiana de dados cosmológicos, o procedimento padrão de como obter informação sobre o modelo cosmológico a partir da grande miríade de diferentes dados cosmológicos. Com o arcabouço teórico desenvolvido e as ferramentas em mão, investigo propriedades da energia escura, como sua equação de estado, sua abundância ao longo da história cósmica, suas possíveis interações com a matéria escura, seu efeito na formação de estruturas e sua capacidade de resolver tensões cosmológicas. Mais especificamente, eu discuto dois trabalhos originais desenvolvidos ao longo do meu doutorado: o primeiro investiga o paradigma de "Early Dark Energy" com uma modificação adicional na equação de estado da energia escura recente, e o segundo discute indicações de energia escura dinâmica usando dados recentes de medidas de distâncias.
Resumo (inglês)
The last few decades have seen significant advances in cosmology, both theoretical and experimental. Just over a hundred years ago, Edwin Hubble obtained the first evidence of the expansion of the Universe through the luminosity of "nebulae". Today, we can model the abundance of primordial atomic elements using the Big Bang Nucleosynthesis theory, which uses the thermodynamics of cosmological fluids to infer the mass ratio of atomic elements in stars. We can also predict anisotropies in the Cosmic Microwave Background (CMB), predictions confirmed by high angular resolution experiments. We have conducted surveys of millions of galaxies, studying statistical correlations in the surveyed population and observing predicted cosmological effects using cosmological perturbation theory. The success of such experiments, however, has raised enormous theoretical questions. There is evidence of dark matter, which behaves like a massive particle that does not interact through any known fundamental interaction in the Standard Model of Particle Physics. Furthermore, there is evidence that the expansion of the Universe is currently accelerating. According to General Relativity, this is only possible due to dark energy, a negative pressure fluid that is the most abundant form of energy in the Universe. The nature of this dark energy is unknown. The simplest model that describes it is a cosmological constant, a constant and evenly distributed energy density throughout space. Finally, there is also evidence of a period of accelerated expansion of the Universe shortly after the Big Bang, known as inflation, whose mechanism is still unknown.
These and other questions motivate a wide range of cosmological experiments aimed at better understanding the nature of dark matter, dark energy, and inflation. Today, we have a vast array of increasingly precise observational data, each sensitive to different aspects of cosmological theory and each with its prediction for model parameters. As experimental precision gradually increases, some parameters' predictions have begun to disagree with one another. These disagreements, known as tensions, can sometimes be alleviated by different treatments of systematic errors. Some tensions, such as the Hubble tension, are so severe that no systematic treatment can alleviate them. The lack of solutions to these tensions has motivated the investigation of alternative dark energy models that can accommodate the conflicting data. In this thesis, I present the Lambda-CDM ($\Lambda$CDM) cosmological model, widely used to predict distance observations, CMB anisotropies, model the large-scale structure formation of the Universe, among various observable effects. I also present Bayesian analysis of cosmological data, the standard procedure for obtaining information about the cosmological model from the vast array of different cosmological data. With the developed theoretical framework and tools in hand, I investigate properties of dark energy, such as its equation of state, its abundance throughout cosmic history, its possible interactions with dark matter, its effect on structure formation, and its capacity to resolve cosmological tensions. In particular, I discuss two original works done during my PhD: the first investigates Early Dark Energy with late-time equation of state modifications, and the second discusses hints of dynamical dark energy from recent geometric measurements.
Descrição
Palavras-chave
Energia Escura (Astronomia), Supernova (Estrela), Cosmologia
Idioma
Inglês
Como citar
REBOUÇAS, João. Testing cosmological models using state-of-the-art galaxy surveys. 2025. Tese (Doutorado em Física) – Instituto de Física Teórica, Universidade Estadual Paulista
(Unesp), São Paulo, 2025.
