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Tese de Doutorado
DOI
https://doi.org/10.11606/T.14.2023.tde-17042023-154446
Documento
Autor
Nome completo
Sérgio Ricardo Galindo Trevisani Junior
E-mail
Unidade da USP
Área do Conhecimento
Data de Defesa
Imprenta
São Paulo, 2023
Orientador
Banca examinadora
Lima, José Ademir Sales de (Presidente)
Bezerra, Valdir Barbosa
Cypriano, Eduardo Serra
Deppman, Airton
Júnior, João Vital da Cunha
Pino, Elisabete Maria de Gouveia Dal
Título em português
Cosmologia, criação de partículas e redução do setor escuro
Palavras-chave em português
Cosmic Microwave Background (CMB)
Cosmologia (Física)
Criação Gravitacionalmente Induzida de Partículas
Redução do Setor Escuro e Teoria Cinética Relativística.
Relatividade Geral
Universo Acelerado
Resumo em português
Embora a atual condição dinâmica de expansão acelerada do Universo seja fisicamente bem estabelecida no presente, a substância (ou mecanismo) responsável por essa expansão permanece desconhecida. Nesta tese propomos como possível mecanismo para descrever a expansão um novo tipo de modelo cosmológico relativístico, plano, com ``criação de partículas'' e sem energia escura, i.e., com ``redução do setor escuro''. No início do desenvolvimento proposto neste trabalho, consideramos haver criação gravitacionalmente induzida de todas as espécies de partículas componentes do multifluido cosmológico. Assim, o atual estágio acelerado de expansão do Universo pode ser descrito como um efeito da pressão negativa oriunda da criação de quaisquer destas espécies. A cosmologia resultante do modelo hipotético em questão pode ser descrita macroscopicamente no caso geral (quando a taxa de criação do número de partículas é distinta da taxa de criação de entropia) e também cineticamente (além de macroscopicamente) no caso ``adiabático'' (em que as taxas de produção são iguais). Mostramos ainda que, considerado este mesmo caso ``adiabático'', as expressões para pressão de criação e lei de temperatura conhecidos em literatura também podem ser identicamente recuperados. Nossa abordagem inicial sugere a possibilidade de um tratamento cinético gravitacional e quântico (semi-clássico) para a criação, incorporando efeitos de ``back reaction'' para um conjunto arbitrário de componentes dominantes. No entanto, ao longo do desenvolvimento da tese, observou-se que a emulação completa deste modelo com o $\Lambda$CDM é quebrada quando a criação de fótons da CMB (e neutrinos) é levada em conta. Aqui uma nova perspectiva de estudo das distorções da CMB é sugerida. Nestes termos rediscutimos, no âmbito da produção de fótons da CMB no Universo em expansão, a relação temperatura x redshift (termômetro cósmico). Em particular, mostramos que a lei de temperatura estendida pode ser derivada com base em três métodos distintos. O tratamento cinético revela que, considerada a criação ``adiabática'' destes fótons da CMB, o espectro planckiano é preservado no decorrer da expansão; bem como que as anisotropias e distorções no espectro de potência da CMB podem ser tratadas adequadamente. O novo termômetro cósmico sugere um teste crucial ao modelo de concordância cósmica padrão no setor térmico. Por fim, é de se notar que a presente análise abre uma nova janela para investigar a tensão de Hubble uma vez que a criação de todas as componentes altera ligeiramente os resultados da CMB e o histórico de expansão tanto nos primórdios do Universo quanto nos tempos atuais.
Título em inglês
Cosmology, matter creation and reduction of dark sector
Palavras-chave em inglês
(Physical) Cosmology
Accelerating Universe
Cosmic Microwave Background (CMB)
Creation of Particles
General Relativity
Reduction of Dark Sector
Relativistic Kinetic Theory.
Resumo em inglês
Although the dynamic condition of accelerated expansion of the Universe is physically well established at present, the substance (or mechanism) responsible for this expansion remains unknown. In this thesis we propose as a possible mechanism to describe this expansion a new type of relativistic cosmological model, flat, with ``particle creation'' and without dark energy, i.e., with ``reduction of the dark sector''. At the beginning of the development proposed in this work, we considered that there was gravitationally induced creation of all kinds of particles that compose the cosmological multifluid. In this case, the current accelerated stage of expansion of the Universe can be described as an effect of negative pressure arising from the creation of any of these species. The cosmology resulting from this hypothetical model can be described macroscopically in the general case (when the particle number creation rate is distinct from the entropy creation rate) and also kinetically, in addition to macroscopically, in the ``adiabatic'' case (where production rates are equal). We also show that, considering this same ``adiabatic'' case, the expressions for creation pressure and temperature law known in literature can also be identically retrieved. Our initial approach suggests the possibility of a gravitational and quantum kinetic treatment (semi-classical) for creation, incorporating ``back reaction'' effects for an arbitrary set of dominant components. However, throughout the development of the thesis, it was observed that the complete emulation of this model with the $\Lambda$CDM is broken when the CMB photon creation (and neutrinos) is taken into account. Here a new perspective of study of CMB distortions is suggested. In these terms, we re-discuss, within the scope of the CMB photon production in the expanding Universe, the temperature relationship x redshift (cosmic thermometer). In particular, we show that the extended temperature law can be derived based on three different methods. The kinetic treatment reveals that, considering the ``adiabatic'' creation of these CMB photons, the Planckian spectrum is preserved during the expansion; as well as that anisotropies and distortions in the CMB power spectrum can be adequately treated. The new cosmic thermometer suggests a crucial test of the standard cosmic concordance model in the thermal sector. Finally, it should be noted that the present analysis opens a new window to investigate the Hubble stress since the creation of all components slightly alters the results of the CMB and the history of expansion both in the early Universe and in current times.
 
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Data de Publicação
2023-04-18
 
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