Testing cosmological models using state-of-the-art galaxy surveys - Rebouças, João Victor Silva [UNESP] (2025)
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 $Λ$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.