In the present monograph we study in detail the primordial gravitational waves in cosmologies with a decaying vacuum. The decaying vacuum models are an alternative to solve the cosmological constant problem attributing a dynamic to the vacuum energy. The problem of primordial gravitational waves is discussed in the framework of an expanding, flat, spatially homogeneous and isotropic FLRW Universe described by General Relativity theory with decaying vacuum energy density of the type $\\Lambda \\equiv \\Lambda(H)$. Two particular interesting limits of a class of decaying vacuum models were investigated. A first-order tensor perturbation term was introduced to the FLRW metric, the evolution equation of the perturbations was derived and then expressed in terms of a Fourier expansion, the time-dependent part decouples from the spatial part. The resulting equation has the form of a damped harmonic oscillator which depends on the scale factor, which carries all the cosmological and decaying vacuum characteristics. In the first model studied, the decaying vacuum has the form $\\Lambda \\propto H^2$. The gravitational wave equation is established and its time-dependent part has analytically been solved for different epochs in the case of a flat geometry. The main result is unlike the standard $\\Lambda$CDM cosmology (no interacting vacuum): in this model there is gravitational wave amplification during the radiation era, which in quantum field theory means graviton production. This difference is a clear signature of the decaying vacuum models which a eventual observation could give empirical clues about it. However, high frequency modes are damped out even faster than in the standard cosmology, both in the radiation and matter-vacuum dominated epoch. The physical gravitational wave quantities like the modulus of the mode function, power and gravitational wave energy density spectra generated at different cosmological eras are also explicitly evaluated. The second model studied is a decaying vacuum of the form $\\Lambda \\propto H^3$. This model drives a nonsingular flat cosmology which is termed complete in the sense that the cosmic evolution occurs between two extreme de Sitter stages. The particularity which makes interesting this model is that the transition from the early de Sitter era to the radiation phase is smooth avoiding the graceful exit problem. The gravitational wave equation is derived and its time-dependent part numerically integrated in a relevant period previously delimited. The gravitational wave solutions for the other eras were calculates analytically. Today\'s gravitational wave spectra were calculated and compared with the standard result where an abrupt transition is assumed. It is found that the stochastic background of gravitational waves is very similar to the one predicted by the cosmic concordance model plus inflation except for the higher frequencies. / Na presente monografia foi estudado em detalhe as ondas gravitacionais primordiais em cosmologias com decaimento do vácuo. Os modelos de decaimento do vácuo são uma alternativa para resolver o problema da constante cosmológica atribuindo uma dinâmica à energia do vácuo. O problema de ondas gravitacionais primordiais é discutida no âmbito de um Universo FLRW em expansão, plano, espacialmente homogêneo e isotrópico descrito pela teoria da Relatividade Geral com decaimento da densidade de energia do vácuo do tipo $\\Lambda \\equiv \\Lambda(H)$. Dois limites particularmente interessantes de uma classe de modelos de decaimento do vácuo foram trabalhados. Um termo tensorial perturbativo a primeira ordem foi introduzido na métrica de FLRW, a equação de evolução das perturbações foi derivada e depois expressada em termos de uma expansão de Fourier, a parte dependente do tempo desacopla-se da parte espacial. A equação resultante tem a forma de um oscilador harmônico amortecido que depende do fator de escala que carrega todas as características cosmológicos e do decaimento do vácuo. No primeiro modelo estudado, o decaimento do vácuo tem a forma $\\Lambda \\propto H^2$. A equação da onda gravitacional é estabelecida e a sua parte dependente do tempo foi resolvida analiticamente para diferentes épocas no caso de uma geometria plana. O resultado principal é que a diferença da cosmologia $\\Lambda$CDM padrão (sem decaimento do vácuo), neste modelo ocorre amplificação de ondas gravitacionais durante a era de radiação, que em mecânica quântica significa produção gráviton. Esta diferença é uma assinatura clara dos modelos de decaimento do vácuo que uma eventual observação poderia dar pistas empíricas sobre o assunto. No entanto, os modos de alta frequência são amortecidos ainda mais rápido do que na cosmologia padrão, tanto na era da radiação e da matéria-vácuo. As quantidades físicas das ondas gravitacionais, como o módulo da função de modos, espectros de potência e de densidade de energia de onda gravitacional geradas em diferentes eras cosmológicas também foram avaliadas explicitamente. O segundo modelo estudado é um decaimento do vácuo da forma $\\Lambda \\propto H^3$. Este modelo leva uma cosmologia plana não singular que é denominado completo no sentido de que a evolução cósmica ocorre entre duas eras de Sitter extremas. A particularidade que torna interessante este modelo é que a transição do início da era de Sitter era para a fase da radiação é suave evitando o graceful exit problem. A equação gravitacional é derivada e sua parte dependente do tempo foi integrada numericamente num período relevante previamente delimitado, as soluções das ondas gravitacionais para as outras eras foram calculadas analiticamente. Os espectros de hoje das ondas gravitacionais foram calculados e comparados com os cálculos padrão onde é assumida uma transição abrupta. Verificou-se que o fundo estocástico de ondas gravitacionais é muito semelhante ao previsto pelo modelo de concordância cósmica mais a inflação, exceto para as frequências mais altas.

In the present monograph we study in detail the primordial gravitational waves in cosmologies with a decaying vacuum. The decaying vacuum models are an alternative to solve the cosmological constant problem attributing a dynamic to the vacuum energy. The problem of primordial gravitational waves is discussed in the framework of an expanding, flat, spatially homogeneous and isotropic FLRW Universe described by General Relativity theory with decaying vacuum energy density of the type $\\Lambda \\equiv \\Lambda(H)$. Two particular interesting limits of a class of decaying vacuum models were investigated. A first-order tensor perturbation term was introduced to the FLRW metric, the evolution equation of the perturbations was derived and then expressed in terms of a Fourier expansion, the time-dependent part decouples from the spatial part. The resulting equation has the form of a damped harmonic oscillator which depends on the scale factor, which carries all the cosmological and decaying vacuum characteristics. In the first model studied, the decaying vacuum has the form $\\Lambda \\propto H^2$. The gravitational wave equation is established and its time-dependent part has analytically been solved for different epochs in the case of a flat geometry. The main result is unlike the standard $\\Lambda$CDM cosmology (no interacting vacuum): in this model there is gravitational wave amplification during the radiation era, which in quantum field theory means graviton production. This difference is a clear signature of the decaying vacuum models which a eventual observation could give empirical clues about it. However, high frequency modes are damped out even faster than in the standard cosmology, both in the radiation and matter-vacuum dominated epoch. The physical gravitational wave quantities like the modulus of the mode function, power and gravitational wave energy density spectra generated at different cosmological eras are also explicitly evaluated. The second model studied is a decaying vacuum of the form $\\Lambda \\propto H^3$. This model drives a nonsingular flat cosmology which is termed complete in the sense that the cosmic evolution occurs between two extreme de Sitter stages. The particularity which makes interesting this model is that the transition from the early de Sitter era to the radiation phase is smooth avoiding the graceful exit problem. The gravitational wave equation is derived and its time-dependent part numerically integrated in a relevant period previously delimited. The gravitational wave solutions for the other eras were calculates analytically. Today\'s gravitational wave spectra were calculated and compared with the standard result where an abrupt transition is assumed. It is found that the stochastic background of gravitational waves is very similar to the one predicted by the cosmic concordance model plus inflation except for the higher frequencies. / Na presente monografia foi estudado em detalhe as ondas gravitacionais primordiais em cosmologias com decaimento do vácuo. Os modelos de decaimento do vácuo são uma alternativa para resolver o problema da constante cosmológica atribuindo uma dinâmica à energia do vácuo. O problema de ondas gravitacionais primordiais é discutida no âmbito de um Universo FLRW em expansão, plano, espacialmente homogêneo e isotrópico descrito pela teoria da Relatividade Geral com decaimento da densidade de energia do vácuo do tipo $\\Lambda \\equiv \\Lambda(H)$. Dois limites particularmente interessantes de uma classe de modelos de decaimento do vácuo foram trabalhados. Um termo tensorial perturbativo a primeira ordem foi introduzido na métrica de FLRW, a equação de evolução das perturbações foi derivada e depois expressada em termos de uma expansão de Fourier, a parte dependente do tempo desacopla-se da parte espacial. A equação resultante tem a forma de um oscilador harmônico amortecido que depende do fator de escala que carrega todas as características cosmológicos e do decaimento do vácuo. No primeiro modelo estudado, o decaimento do vácuo tem a forma $\\Lambda \\propto H^2$. A equação da onda gravitacional é estabelecida e a sua parte dependente do tempo foi resolvida analiticamente para diferentes épocas no caso de uma geometria plana. O resultado principal é que a diferença da cosmologia $\\Lambda$CDM padrão (sem decaimento do vácuo), neste modelo ocorre amplificação de ondas gravitacionais durante a era de radiação, que em mecânica quântica significa produção gráviton. Esta diferença é uma assinatura clara dos modelos de decaimento do vácuo que uma eventual observação poderia dar pistas empíricas sobre o assunto. No entanto, os modos de alta frequência são amortecidos ainda mais rápido do que na cosmologia padrão, tanto na era da radiação e da matéria-vácuo. As quantidades físicas das ondas gravitacionais, como o módulo da função de modos, espectros de potência e de densidade de energia de onda gravitacional geradas em diferentes eras cosmológicas também foram avaliadas explicitamente. O segundo modelo estudado é um decaimento do vácuo da forma $\\Lambda \\propto H^3$. Este modelo leva uma cosmologia plana não singular que é denominado completo no sentido de que a evolução cósmica ocorre entre duas eras de Sitter extremas. A particularidade que torna interessante este modelo é que a transição do início da era de Sitter era para a fase da radiação é suave evitando o graceful exit problem. A equação gravitacional é derivada e sua parte dependente do tempo foi integrada numericamente num período relevante previamente delimitado, as soluções das ondas gravitacionais para as outras eras foram calculadas analiticamente. Os espectros de hoje das ondas gravitacionais foram calculados e comparados com os cálculos padrão onde é assumida uma transição abrupta. Verificou-se que o fundo estocástico de ondas gravitacionais é muito semelhante ao previsto pelo modelo de concordância cósmica mais a inflação, exceto para as frequências mais altas.

Nos encontramos atualmente em um momento histórico privilegiado para a cosmologia. Na última década, o grande progresso das observações astronô- micas permitiu que diversos modelos cosmológicos pudessem ser testados com grande precisão. Com uma série de resultados observacionais sendo lançados, obtivemos informações valiosas sobre a expansão acelerada do universo primitivo e a expansão acelerada atual. Em sua essência, tais esforços observacionais buscam esclarecer algumas das questões mais fundamentais da cosmologia moderna, como a compreensão do mecanismo responsável pela aceleração do universo. Muitas perguntas estão associadas à tal questão, entre elas podemos citar: (i) Qual a natureza da substância, ou qual a origem do fenômeno, que está atualmente acelerando a expansão do universo? (ii) Por qual razão esta expansão acelerada iniciou recentemente (nos últimos 5-8 bilhões de anos), e não no passado distante ou no futuro remoto? (iii) Qual a variante inflacionária que operou no universo primitivo e qual sua conexão (se existe alguma) com o atual estágio acelerado do universo? Em nossa compreensão, as indagações acima fazem parte dos maiores problemas da cosmologia atual. A ampla abrangência de tais questões significa que avanços em qualquer uma delas terá implicações teóricas e observacionais em outras áreas envolvendo a interface formada pela Astronomia, Cosmologia e Física de Partículas. As três questões acima estão diretamente conectadas com os objetivos do presente trabalho. Acreditamos também que seu estudo pode lançar alguma luz e melhorar nossa compreensão sobre questões mais fundamentais da física. Neste contexto, analisamos diferentes modelos cosmológicos para a acelera- ção do universo à luz dos mais recentes dados observacionais de supernovas, radiação cósmica de fundo e oscilações acústicas de bárions. Propomos, aqui, alternativas ao Modelo Padrão da Cosmologia, ao mostrar que diversos fenômenos físicos podem estar associados à expansão do universo, gerando a aceleração observada sem a necessidade de se introduzir componentes desconhecidas no universo além da matéria escura. Além de desenvolver uma revisão crítica do Modelo Padrão, discutimos nesta tese especialmente três modelos para a expansão acelerada do universo. O primeiro deles considera a aceleração cósmica como sendo efeito da criação quântica de partículas de matéria escura, ou radiação, às custas do campo gravitacional variando continuamente com a expansão do universo. O segundo modelo considera o processo de viscosidade volumar no fluido cosmológico como sendo responsável pela aceleração. Esta viscosidade volumar se deve à perda de equilíbrio termodinâmico durante a expansão do fluido. O terceiro modelo, o modelo de decaimento do vácuo, considera como responsá- vel pela aceleração uma energia do vácuo que decai nas outras componentes cósmicas continuamente ao longo do tempo. Analisamos as relações existentes entre estes três modelos, além do Modelo Padrão, e as condições sob as quais os mesmos fornecem uma dinâmica equivalente para o universo. Também obtemos interessantes vínculos para os parâmetros destes modelos ao fazermos, além de uma análise observacional, uma análise teórica baseada na dinâmica e na termodinâmica associada a cada cenário. Sugerimos que estes cenários são capazes de aliviar diversos problemas conceituais do Modelo Padrão da Cosmologia. Numa segunda etapa, mostramos que os processos físicos descritos acima podem ser responsáveis tanto pela aceleração cósmica atual, quanto pela aceleração primordial que se supõe ter ocorrido no universo antigo. Tal abordagem fornece uma descrição unificada para a evolução cosmológica. Acreditamos ser de fundamental importância que o processo que dirigiu a aceleração primordial possa ser relacionado com o mesmo responsável pela atual fase de expansão acelerada do universo. Além disto, é possível que as dificuldades que atingem a interface que une a Relatividade Geral, a Cosmologia e a Teoria Quântica de Campos possam ser amenizadas através de uma melhor compreensão do processo de criação gravitacional de partículas, do decaimento do vácuo e suas conexões com o contexto da inflação primordial. Para comparar e vincular os modelos propostos, analisamos também o processo de formação das estruturas cosmológicas nestes modelos. Introduzimos a teoria de perturbações cosmológicas, primeiramente, através de uma análise do Modelo Padrão. A partir daí, apresentamos uma abordagem mais geral para o tratamento das perturbações chamada teoria de campo efetiva para a inflação. Neste contexto, analisamos quais previsões são obtidas ao se quebrar algumas suposições usualmente assumidas nestes modelos. Por fim, através de uma análise do espectro de potências primordial do modelo de criação gravitacional de partículas e do modelo de viscosidade, mostramos, pela primeira vez, que os mesmos podem ser capazes de gerar um cenário inflacionário para o universo primitivo em concordância com as observações atuais. / We are currently in a privileged moment for cosmology. In the last decade, the great progress of astronomical observations made possible that several cosmological models could be tested with great accuracy. With several observational data being released we obtained valuable information concerning the primordial acceleration of the universe and the recent accelerated expansion. Essentially, these observational efforts aim to clarify some of the most fundamental questions of modern cosmology, which concerns the understanding of the mechanism responsible for the acceleration of the universe. Many questions are related to this issue, among them we can mention: (i) What is the nature of the substance, or what is the origin of the phenomenom, responsible for the acceleration of the expansion? (ii) For which reason the accelerated expansion started recently (within the last 5-8 billion years), and not in the distant past or distant future? (iii) What is the inflationary variant that operated in the early universe, and what is its connection (if there is any) with the current accelerated stage of the universe? In our understanding the above questions are part of the biggest problems in modern cosmology. The interconnection between these issues means that advances in any of them will have theoretical and observational implications in other areas involving the interface formed by Astronomy, Cosmology and Particle Physics. The three questions above are directly connected to the objectives of this work. We also belive that their study can shed some light in our understanding of the remaining issues. In this context, we analyze different cosmological models for the acceleration of the universe in the light of the latest data released from supernovae, cosmic microwave background and baryon acoustic oscillations, comparing the results with the ones concerning the Standard Model of Cosmology. We propose alternatives to the Standard Model of Cosmology, by showing that several physical phenomena can be associated to the expansion of the universe, producing the observed acceleration without the need to introduce unknown components in the universe besides the dark matter. In addition to developing a critical revision of the Standard Model, we discuss in this thesis especially three models for the accelerated expansion of the universe. The first one considers the cosmic acceleration as an effect of the creation of dark matter particles, or radiation, at the expense of the gravitational field varying continuously with the expansion of the universe. The second model considers the process of bulk viscosity in the cosmological fluid as being responsible for the acceleration of the universe. This bulk viscosity is due to the loss of local thermodynamic equilibrium during the expansion of the fluid. The third model, the vacuum decaying model, considers as responsible for the acceleration, a vacuum energy which decays continuously into other cosmological components. We analyze the relations between these three models, and also the Standard Model, and the conditions under which they provide an equivalent dynamic to the universe. We also obtain interesting constraints for the parameters of these models by making, besides an observacional analysis, a theoretical analysis based on the dynamics and thermodynamics associated to each scenario. We will show that these alternative scenarios are able to alleviate several theoretical problems of the Standard Cosmological Model. In a second part, we show that the physical phenomena described above may be responsible for the recent cosmic acceleration, as well as for the primordial acceleration that is supposed to have occurred in the early universe. Such approach provides an unified description for the cosmological history. We belive it is of great importance that the process responsible for inflation can be identified with the one responsible for the current phase of accelerated expansion of the universe. Moreover, it is quite possible that the difficulties concerning the interface connecting General Relativity, Cosmology and Quantum Field Theory can be reduced through a better understanding of the gravitational particle creation process, the decay of the vacuum and its connections with the primordial inflationary context. In order to constrain and compare the models proposed here, we also analyse the process of cosmological structure formation in these models. We firstly introduce the perturbation theory through an analysis of the Standard Model. Then we introduce a more general approach to the treatment of cosmological perturbations which is called effective field theory of inflation. In this context, we analyse which predictions are obtained when we break some of the assumptions usually imposed in these models. Finally, through an analysis of the primordial power spectrum of the gravitational particle creation model and the viscosity model, we show, for the first time, that these models are able to describe an inflationary scenario for the early universe totally in agreement with current observations.

Nos encontramos atualmente em um momento histórico privilegiado para a cosmologia. Na última década, o grande progresso das observações astronô- micas permitiu que diversos modelos cosmológicos pudessem ser testados com grande precisão. Com uma série de resultados observacionais sendo lançados, obtivemos informações valiosas sobre a expansão acelerada do universo primitivo e a expansão acelerada atual. Em sua essência, tais esforços observacionais buscam esclarecer algumas das questões mais fundamentais da cosmologia moderna, como a compreensão do mecanismo responsável pela aceleração do universo. Muitas perguntas estão associadas à tal questão, entre elas podemos citar: (i) Qual a natureza da substância, ou qual a origem do fenômeno, que está atualmente acelerando a expansão do universo? (ii) Por qual razão esta expansão acelerada iniciou recentemente (nos últimos 5-8 bilhões de anos), e não no passado distante ou no futuro remoto? (iii) Qual a variante inflacionária que operou no universo primitivo e qual sua conexão (se existe alguma) com o atual estágio acelerado do universo? Em nossa compreensão, as indagações acima fazem parte dos maiores problemas da cosmologia atual. A ampla abrangência de tais questões significa que avanços em qualquer uma delas terá implicações teóricas e observacionais em outras áreas envolvendo a interface formada pela Astronomia, Cosmologia e Física de Partículas. As três questões acima estão diretamente conectadas com os objetivos do presente trabalho. Acreditamos também que seu estudo pode lançar alguma luz e melhorar nossa compreensão sobre questões mais fundamentais da física. Neste contexto, analisamos diferentes modelos cosmológicos para a acelera- ção do universo à luz dos mais recentes dados observacionais de supernovas, radiação cósmica de fundo e oscilações acústicas de bárions. Propomos, aqui, alternativas ao Modelo Padrão da Cosmologia, ao mostrar que diversos fenômenos físicos podem estar associados à expansão do universo, gerando a aceleração observada sem a necessidade de se introduzir componentes desconhecidas no universo além da matéria escura. Além de desenvolver uma revisão crítica do Modelo Padrão, discutimos nesta tese especialmente três modelos para a expansão acelerada do universo. O primeiro deles considera a aceleração cósmica como sendo efeito da criação quântica de partículas de matéria escura, ou radiação, às custas do campo gravitacional variando continuamente com a expansão do universo. O segundo modelo considera o processo de viscosidade volumar no fluido cosmológico como sendo responsável pela aceleração. Esta viscosidade volumar se deve à perda de equilíbrio termodinâmico durante a expansão do fluido. O terceiro modelo, o modelo de decaimento do vácuo, considera como responsá- vel pela aceleração uma energia do vácuo que decai nas outras componentes cósmicas continuamente ao longo do tempo. Analisamos as relações existentes entre estes três modelos, além do Modelo Padrão, e as condições sob as quais os mesmos fornecem uma dinâmica equivalente para o universo. Também obtemos interessantes vínculos para os parâmetros destes modelos ao fazermos, além de uma análise observacional, uma análise teórica baseada na dinâmica e na termodinâmica associada a cada cenário. Sugerimos que estes cenários são capazes de aliviar diversos problemas conceituais do Modelo Padrão da Cosmologia. Numa segunda etapa, mostramos que os processos físicos descritos acima podem ser responsáveis tanto pela aceleração cósmica atual, quanto pela aceleração primordial que se supõe ter ocorrido no universo antigo. Tal abordagem fornece uma descrição unificada para a evolução cosmológica. Acreditamos ser de fundamental importância que o processo que dirigiu a aceleração primordial possa ser relacionado com o mesmo responsável pela atual fase de expansão acelerada do universo. Além disto, é possível que as dificuldades que atingem a interface que une a Relatividade Geral, a Cosmologia e a Teoria Quântica de Campos possam ser amenizadas através de uma melhor compreensão do processo de criação gravitacional de partículas, do decaimento do vácuo e suas conexões com o contexto da inflação primordial. Para comparar e vincular os modelos propostos, analisamos também o processo de formação das estruturas cosmológicas nestes modelos. Introduzimos a teoria de perturbações cosmológicas, primeiramente, através de uma análise do Modelo Padrão. A partir daí, apresentamos uma abordagem mais geral para o tratamento das perturbações chamada teoria de campo efetiva para a inflação. Neste contexto, analisamos quais previsões são obtidas ao se quebrar algumas suposições usualmente assumidas nestes modelos. Por fim, através de uma análise do espectro de potências primordial do modelo de criação gravitacional de partículas e do modelo de viscosidade, mostramos, pela primeira vez, que os mesmos podem ser capazes de gerar um cenário inflacionário para o universo primitivo em concordância com as observações atuais. / We are currently in a privileged moment for cosmology. In the last decade, the great progress of astronomical observations made possible that several cosmological models could be tested with great accuracy. With several observational data being released we obtained valuable information concerning the primordial acceleration of the universe and the recent accelerated expansion. Essentially, these observational efforts aim to clarify some of the most fundamental questions of modern cosmology, which concerns the understanding of the mechanism responsible for the acceleration of the universe. Many questions are related to this issue, among them we can mention: (i) What is the nature of the substance, or what is the origin of the phenomenom, responsible for the acceleration of the expansion? (ii) For which reason the accelerated expansion started recently (within the last 5-8 billion years), and not in the distant past or distant future? (iii) What is the inflationary variant that operated in the early universe, and what is its connection (if there is any) with the current accelerated stage of the universe? In our understanding the above questions are part of the biggest problems in modern cosmology. The interconnection between these issues means that advances in any of them will have theoretical and observational implications in other areas involving the interface formed by Astronomy, Cosmology and Particle Physics. The three questions above are directly connected to the objectives of this work. We also belive that their study can shed some light in our understanding of the remaining issues. In this context, we analyze different cosmological models for the acceleration of the universe in the light of the latest data released from supernovae, cosmic microwave background and baryon acoustic oscillations, comparing the results with the ones concerning the Standard Model of Cosmology. We propose alternatives to the Standard Model of Cosmology, by showing that several physical phenomena can be associated to the expansion of the universe, producing the observed acceleration without the need to introduce unknown components in the universe besides the dark matter. In addition to developing a critical revision of the Standard Model, we discuss in this thesis especially three models for the accelerated expansion of the universe. The first one considers the cosmic acceleration as an effect of the creation of dark matter particles, or radiation, at the expense of the gravitational field varying continuously with the expansion of the universe. The second model considers the process of bulk viscosity in the cosmological fluid as being responsible for the acceleration of the universe. This bulk viscosity is due to the loss of local thermodynamic equilibrium during the expansion of the fluid. The third model, the vacuum decaying model, considers as responsible for the acceleration, a vacuum energy which decays continuously into other cosmological components. We analyze the relations between these three models, and also the Standard Model, and the conditions under which they provide an equivalent dynamic to the universe. We also obtain interesting constraints for the parameters of these models by making, besides an observacional analysis, a theoretical analysis based on the dynamics and thermodynamics associated to each scenario. We will show that these alternative scenarios are able to alleviate several theoretical problems of the Standard Cosmological Model. In a second part, we show that the physical phenomena described above may be responsible for the recent cosmic acceleration, as well as for the primordial acceleration that is supposed to have occurred in the early universe. Such approach provides an unified description for the cosmological history. We belive it is of great importance that the process responsible for inflation can be identified with the one responsible for the current phase of accelerated expansion of the universe. Moreover, it is quite possible that the difficulties concerning the interface connecting General Relativity, Cosmology and Quantum Field Theory can be reduced through a better understanding of the gravitational particle creation process, the decay of the vacuum and its connections with the primordial inflationary context. In order to constrain and compare the models proposed here, we also analyse the process of cosmological structure formation in these models. We firstly introduce the perturbation theory through an analysis of the Standard Model. Then we introduce a more general approach to the treatment of cosmological perturbations which is called effective field theory of inflation. In this context, we analyse which predictions are obtained when we break some of the assumptions usually imposed in these models. Finally, through an analysis of the primordial power spectrum of the gravitational particle creation model and the viscosity model, we show, for the first time, that these models are able to describe an inflationary scenario for the early universe totally in agreement with current observations.

Utilizando a representação funcional de schrodinger e um ansatz gaussiano simples, obtemos um conjunto de equações finitas para a matéria e gravitação em espaços homogêneos e inomogêneos. / Using the formalism of functional Schrödinger representation and a simple Ansatz, we obtain a set of finite equations to the matter and gravitation in homogeneous and inhomogeneous spaces.

Neste trabalho estudam-se três aplicações de mecanismos de produção de partículas no universo pós inflacionário. Apesar da motivação inicial para esses mecanismos ter sido o reaquecimento do universo, eles foram utilizados, posteriormente, para produzir partículas supermassivas. A produção de partículas, sejam elas supermassivas ou não, depende essencialmente do modelo inflacionário utilizado. Aqui, trabalha-se com modelos inflacionários caóticos gerados por um campo escalar, o inflaton. A primeira aplicação estuda a produção de partículas supermassivas pelo mecanismo de pré-aquecimento instantâneo que é não perturbativo. Estabelece-se os limites dos parãmetros desse mecanismo impondo que essas partículas constituam parte da matéria escura e que seu decaimento, hoje, produzam os raios cósmicos de altíssimas energias. A segunda aplicação é um estudo numérico de como teria sido o reaquecimento do universo, num modelo inflacionário quintessencial, com partículas tendo sido produzidas através do mecanismo de pré-aquecimento instantâneo. Esses modelos inflacionários são utilizados para explicar a origem da energia escura que parece dominar o universo hoje. Obtém-se a faixa de temperaturas de reaquecimento permitidas. A terceira aplicação também estuda a produção de partículas supermassivas para explicar os raios cósmicos de altíssimas energias, mas por um mecanismo perturbativo. As partículas seriam o produto do decaimento direto do inflaton após a inflação. Obtém se limites para razão de ramificação deste decaimento, impondo restrições para a vida média das partículas supermassivas e para a sua abundância hoje. / We studied three applications of the mechanisms of particle production in the early universe. Although such mechanisms were first proposed to reheat the universe they were used lately to produce supermassive particles. The production of supermassive or massless particles depends mainly on the inflationary model that we work with. Here, we chose the chaotic inflationary models generated by one scalar field, the inflaton. In the first application we studied the production of supermassive particles by the non-perturbative instant preheating mechanism. We used cosmic ray flux and cold dark matter observational data to constrain the parameters of the model, since we are supposing that such particles may account for a fraction of the cold dark matter as well as decay into high energy cosmic rays. In the second application we perform a numerical study of the instant preheating mechanism of particle production in a model of quintessential inflation. Such inflationary models are used to explain the dark energy that seems to dominate the universe nowadays. We obtained the reheating temperatures allowed by this mechanism. The third application studied the supermassive particle production by a perturbative mechanism to explain high energy cosmic rays. The inflaton would have decayed into such particles after inflation. By constraining their lifetime and present abundance we obtained the branching ratio of such decay.

Utilizando a representação funcional de schrodinger e um ansatz gaussiano simples, obtemos um conjunto de equações finitas para a matéria e gravitação em espaços homogêneos e inomogêneos. / Using the formalism of functional Schrödinger representation and a simple Ansatz, we obtain a set of finite equations to the matter and gravitation in homogeneous and inhomogeneous spaces.

Neste trabalho estudam-se três aplicações de mecanismos de produção de partículas no universo pós inflacionário. Apesar da motivação inicial para esses mecanismos ter sido o reaquecimento do universo, eles foram utilizados, posteriormente, para produzir partículas supermassivas. A produção de partículas, sejam elas supermassivas ou não, depende essencialmente do modelo inflacionário utilizado. Aqui, trabalha-se com modelos inflacionários caóticos gerados por um campo escalar, o inflaton. A primeira aplicação estuda a produção de partículas supermassivas pelo mecanismo de pré-aquecimento instantâneo que é não perturbativo. Estabelece-se os limites dos parãmetros desse mecanismo impondo que essas partículas constituam parte da matéria escura e que seu decaimento, hoje, produzam os raios cósmicos de altíssimas energias. A segunda aplicação é um estudo numérico de como teria sido o reaquecimento do universo, num modelo inflacionário quintessencial, com partículas tendo sido produzidas através do mecanismo de pré-aquecimento instantâneo. Esses modelos inflacionários são utilizados para explicar a origem da energia escura que parece dominar o universo hoje. Obtém-se a faixa de temperaturas de reaquecimento permitidas. A terceira aplicação também estuda a produção de partículas supermassivas para explicar os raios cósmicos de altíssimas energias, mas por um mecanismo perturbativo. As partículas seriam o produto do decaimento direto do inflaton após a inflação. Obtém se limites para razão de ramificação deste decaimento, impondo restrições para a vida média das partículas supermassivas e para a sua abundância hoje. / We studied three applications of the mechanisms of particle production in the early universe. Although such mechanisms were first proposed to reheat the universe they were used lately to produce supermassive particles. The production of supermassive or massless particles depends mainly on the inflationary model that we work with. Here, we chose the chaotic inflationary models generated by one scalar field, the inflaton. In the first application we studied the production of supermassive particles by the non-perturbative instant preheating mechanism. We used cosmic ray flux and cold dark matter observational data to constrain the parameters of the model, since we are supposing that such particles may account for a fraction of the cold dark matter as well as decay into high energy cosmic rays. In the second application we perform a numerical study of the instant preheating mechanism of particle production in a model of quintessential inflation. Such inflationary models are used to explain the dark energy that seems to dominate the universe nowadays. We obtained the reheating temperatures allowed by this mechanism. The third application studied the supermassive particle production by a perturbative mechanism to explain high energy cosmic rays. The inflaton would have decayed into such particles after inflation. By constraining their lifetime and present abundance we obtained the branching ratio of such decay.

Early Universe physics leaves distinct imprints on the Cosmic Microwave Background (CMB) and Large-Scale Structure (LSS). The current cosmological paradigm to explain the origin of the structures we see in the Universe today (CMB and LSS), named Inflation, says that the Universe went through a period of accelerated expansion. Density fluctuations that eventually have grown into the temperature fluctuations of the CMB and the galaxies and other structures we see in the LSS come from the quantization of the scalar field (inflaton) which provokes the accelerated expansion. The most simple inflationary model, which contains only one slowly-rolling scalar field with canonical kinetic term in the action, produces a power-spectrum (Fourier transform of the two-point correlation function) approximately scale invariant and an almost null bispectrum (Fourier transform of the three-point correlation function). This characteristic is called Gaussianity, once random fields that follow a normal distribution have all the odd moments null. Yet, more complex inflationary models (with more scalar fields and/or non-trivial kinetic terms in the action, etc) and possible alternatives to inflation have a non-vanishing bispectrum which can be parametrized by a non-linearity parameter f_NL, whose value differs from model to model. In this work we studied the basic ingredients to understand such statements and focused on the observational evidences of this parameters and how the current and upcoming galaxy surveys are able to impose constraints to the value of f_NL with a better accuracy, through the multi-tracer technique, than those obtained by means of CMB measurements. / A física do Universo primordial deixa sinais distintos na Radiação Cósmica de Fundo (CMB) e Estrutura em Larga Escala (LSS). O paradigma atual da cosmologia explica a origem das estruturas que vemos hoje (CMB e LSS) através da inflação, teoria que diz que o Universo passou por um período de expansão acelerada. As flutuações de densidade que eventualmente crescem, dando origem às flutuações de temperatura da CMB, às galáxias e outras estruturas que vemos na LSS, provém da quantização do campo escalar (inflaton) que provoca a tal expansão acelerada. O modelo inflacionário mais simples, o qual contém um único campo escalar nas condições de rolamento lento e termo cinético canônico da ação, possui o espectro de potências (transformada de Fourier da função de correlação de dois pontos) aproximadamente invariante de escala e o bispectro (transformada de Fourier da função de correlação de três pontos) aproximadamente nulo. Tal característica é conhecida por Gaussianidade, uma vez que campos aleatórios cuja distribuição é uma normal tem todas as funções de correlação de ordem ímpar nulas. Contudo, modelos inflacionários mais complexos (mais campos escalares, termos cinéticos não-triviais na ação, etc) e alternativas possíveis à inflação possuem um bispectro não nulo, o qual pode ser parametrizado através do parâmetro de não-linearidade f_NL, cujo valor difere de modelo para modelo. Neste trabalho estudamos os ingredientes básicos para entender tais afirmações e focamos nas evidências observacionais desse parâmetro e como os levantamentos de galáxias atuais e futuros podem impor restrições ao valor de f_NL com uma precisão maior, através da técnica de múltiplos traçadores, do que aquelas obtidas com medidas da CMB.

Early Universe physics leaves distinct imprints on the Cosmic Microwave Background (CMB) and Large-Scale Structure (LSS). The current cosmological paradigm to explain the origin of the structures we see in the Universe today (CMB and LSS), named Inflation, says that the Universe went through a period of accelerated expansion. Density fluctuations that eventually have grown into the temperature fluctuations of the CMB and the galaxies and other structures we see in the LSS come from the quantization of the scalar field (inflaton) which provokes the accelerated expansion. The most simple inflationary model, which contains only one slowly-rolling scalar field with canonical kinetic term in the action, produces a power-spectrum (Fourier transform of the two-point correlation function) approximately scale invariant and an almost null bispectrum (Fourier transform of the three-point correlation function). This characteristic is called Gaussianity, once random fields that follow a normal distribution have all the odd moments null. Yet, more complex inflationary models (with more scalar fields and/or non-trivial kinetic terms in the action, etc) and possible alternatives to inflation have a non-vanishing bispectrum which can be parametrized by a non-linearity parameter f_NL, whose value differs from model to model. In this work we studied the basic ingredients to understand such statements and focused on the observational evidences of this parameters and how the current and upcoming galaxy surveys are able to impose constraints to the value of f_NL with a better accuracy, through the multi-tracer technique, than those obtained by means of CMB measurements. / A física do Universo primordial deixa sinais distintos na Radiação Cósmica de Fundo (CMB) e Estrutura em Larga Escala (LSS). O paradigma atual da cosmologia explica a origem das estruturas que vemos hoje (CMB e LSS) através da inflação, teoria que diz que o Universo passou por um período de expansão acelerada. As flutuações de densidade que eventualmente crescem, dando origem às flutuações de temperatura da CMB, às galáxias e outras estruturas que vemos na LSS, provém da quantização do campo escalar (inflaton) que provoca a tal expansão acelerada. O modelo inflacionário mais simples, o qual contém um único campo escalar nas condições de rolamento lento e termo cinético canônico da ação, possui o espectro de potências (transformada de Fourier da função de correlação de dois pontos) aproximadamente invariante de escala e o bispectro (transformada de Fourier da função de correlação de três pontos) aproximadamente nulo. Tal característica é conhecida por Gaussianidade, uma vez que campos aleatórios cuja distribuição é uma normal tem todas as funções de correlação de ordem ímpar nulas. Contudo, modelos inflacionários mais complexos (mais campos escalares, termos cinéticos não-triviais na ação, etc) e alternativas possíveis à inflação possuem um bispectro não nulo, o qual pode ser parametrizado através do parâmetro de não-linearidade f_NL, cujo valor difere de modelo para modelo. Neste trabalho estudamos os ingredientes básicos para entender tais afirmações e focamos nas evidências observacionais desse parâmetro e como os levantamentos de galáxias atuais e futuros podem impor restrições ao valor de f_NL com uma precisão maior, através da técnica de múltiplos traçadores, do que aquelas obtidas com medidas da CMB.