Cosmologias com decaimento do vácuo: modelos e teste observacionais

Abstract

Problemas do modelo de concordância cósmica $\Lambda$CDM, como o problema da constante cosmológica, problemas de coincidência e a tensão de Hubble, levaram a muitas alternativas propostas, como o $\Lambda(t)$CDM, onde o agora chamado termo cosmológico $\Lambda$, permite-se variá-lo no tempo devido a uma interação entre a matéria e energia do vácuo. Aqui, analisamos diferentes classes de modelos, com $\Lambda=\alpha'a^{-2}+\beta H^2+\lambda_*$ e seus derivados, com os termos presentes na equação baseados em argumentos dimensionais a serem definidos. As classes de modelos partem da equação mencionada anteriormente, com os modelos derivados sendo $\Lambda_1$ (onde $\lambda_{*} = 0$), $\Lambda_2$ (onde $\beta = 0$), $\Lambda_3$ (onde $\alpha^{\prime} = 0$), e o modelo geral sem nenhum termo igual a zero, denominado por $\Lambda_g$. Usando dados de SNe Ia, cronômetros cósmicos e vínculos sobre $H_0$ a partir do SH0ES e do satélite Planck, vinculamos os parâmetros livres desta classe de modelos, e os qualificamos conforme o BIC. Ao usar as informações prévias do Planck sobre $H_0$, concluiu-se que o termo $\lambda_*$ não pode ser descartado por essa análise, desfavorecendo, assim, os modelos apenas com os termos variáveis no tempo, como o $\Lambda_1$, já com a informação prévia do SH0ES sobre $H_0$ tem uma evidência fraca nessa direção. Ao usar informações prévias de distância da CMB (do inglês \textbf{\textit{Cosmic Microwave Background}}, Radiação Cósmica de Fundo de Micro-ondas), a dependência temporal de $\Lambda$ foi bastante restrita nos modelos $\Lambda_g$, $\Lambda_2$ e $\Lambda_3$, exceto no $\Lambda_1$ pois não foi possível vinculá-lo. Em resumo, o modelo $\Lambda_1$ destaca-se como único no sentido de permitir exclusivamente que o vácuo decaia em matéria em grande parte da evolução cósmica, onde só recentemente acontece uma transição, enquanto os outros modelos apresentam uma margem para essa interação, assim possibilitando a resolução do Problema da Constante Cosmológica. No que diz respeito ao Problema da Coincidência, apenas o $\Lambda_1$ não alivia, enquanto os demais modelos mostram-se como boas opções, já que todos permitem decaimento da vácuo no passado. Quanto à Tensão do $H_0$, nenhum dos modelos agrava a discrepância existente. Considerando os recentes resultados para o Modelo do Vácuo Dinâmico, é interessante explorar mais a fundo a evolução da Equação de Estado do vácuo ao longo da história cósmica. De modo geral, conclui-se que os modelos $\Lambda(t)$CDM mostram-se como candidatos promissores para resolver diversos problemas cosmológicos do modelo padrão.

Problems with the cosmic concordance model $\Lambda$CDM, such as the cosmological constant problem, the coincidence problem, and the Hubble tension, have led to many proposed alternatives, such as the $\Lambda(t)$CDM, where the cosmological term $\Lambda$ is allowed to vary with time due to an interaction between matter and vacuum energy. Here, we analyze different classes of models, with $\Lambda=\alpha'a^{-2}+\beta H^2+\lambda_*$ and their derivatives, with the terms in the equation based on dimensional arguments. The classes of models start from the equation mentioned earlier, with the derived models being $\Lambda_1$ (where $\lambda_{*} = 0$), $\Lambda_2$ (where $\beta = 0$), $\Lambda_3$ (where $\alpha^{\prime} = 0$), and the general model with no term equal to zero, denoted as $\Lambda_g$. Using data from SNe Ia, cosmic chronometers, and constraints on $H_0$ from SH0ES and the Planck satellite, we constrain the free parameters of this class of models and qualify the models according to the Bayesian Information Criterion (BIC). Using prior information from Planck about $H_0$, it was concluded that the $\lambda_*$ term cannot be ruled out by this analysis, thus disfavoring models with only time-varying terms, such as $\Lambda_1$, which already has weak evidence in that direction based on prior information from SH0ES about $H_0$. Using prior information from the Cosmic Microwave Background (CMB) distance, the temporal dependence of $\Lambda$ was greatly restricted in the $\Lambda_g$, $\Lambda_2$, and $\Lambda_3$ models, except in $\Lambda_1$ where it was not possible to constrain it. In summary, the $\Lambda_1$ model stands out as unique in allowing exclusively for vacuum decay into matter for much of cosmic evolution, with only a recent transition, while the other models allow for some margin of this interaction, thus enabling the resolution of the Cosmological Constant Problem. Regarding the coincidence problem, only $\Lambda_1$ does not alleviate it, while the other models appear as good options, as they all allow for matter decay into vacuum in the past, decreasing the order of magnitude. As for the $H_0$ tension, none of the models worsen the existing discrepancy. Considering recent results for the Running Vacuum Model (RVM), further exploration of the vacuum equation of state evolution throughout cosmic history is intriguing. Overall, it is concluded that $\Lambda(t)$CDM models appear as promising candidates for addressing various cosmological problems within the standard model.