Made available in DSpace on 2016-12-23T14:20:02Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Judismar Tadeu Guaitolini Junior parte1.pdf: 1339957 bytes, checksum: c5da9a3037234d5d87242ca7050bbab6 (MD5) Previous issue date: 2012-04-10 / Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / The cosmic microwave background radiation is the oldest sign that we detect in the universe today, and it consists of an electromagnetic radiation with maximum intensity in the microwave range, with temperature of 2.725K, and which dates from a period when the first hydrogen atoms could form in a dense and hot universe. Together with the measures of the recession of galaxies and the abundance of light elements, the cosmic microwave background radiation and the information derived from it, form the pillars of modern cosmology, in agreement with the Big Bang model. In this work we review the anisotropies in temperature and polarization of the cosmic microwave background radiation, with emphasis on the cosmological parameters associated with these phenomena, we obtain the angular power spectrum associated with the temperature of this radiation in a detailed manner, and we seek to gradually build the ideas, with the purpose of making this work as accessible as possible for those who do a first reading of the subject / A radiação cósmica de fundo é o sinal mais antigo que detectamos hoje no universo, e consiste em uma radiação eletromagnética com intensidade máxima na faixa do microondas, com temperatura de 2,725K, e que remonta de um período em que os primeiros átomos de hidrogênio puderam se formar em um universo denso e quente. Juntamente com as medidas do afastamento das galáxias e da abundância dos elementos leves, a radiação cósmica de fundo e as informações obtidas a partir dela, formam os pilares da cosmologia moderna, corroborando o modelo do Big Bang. Nesse trabalho fazemos uma revisão sobre as anisotropias em temperatura e polarização da radiação cósmica de fundo, com ênfase nos parâmetros cosmológicos associados a esses fenômenos, obtemos o espectro de potência angular associado à temperatura dessa radiação de maneira detalhada, e procuramos construir as idéias de maneira gradativa, com o objetivo de tornar esse trabalho tão acessível quanto possível para aqueles que fazem uma primeira leitura do assunto

Orientador: Maria Cristina Batoni Abdalla Ribeiro / Coorientador: Felipe Batoni Abdalla / Banca: Marcos Vinícius Borges Teixeira Lima / Banca: Laerte Sodré Junior / Resumo: Observações atuais do satélite Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP) da Radiação Cósmica de Fundo (CMB) e estruturas de grande escala (LSS) têm permitido melhorar os estudos das anisotropias secundárias, especialmente o efeito Sachs-Wolfe Integrado (ISW). Usando a correlação cruzada entre a CMB e mapas da LSS, o sinal do efeito ISW pode ser detectado. Nós podemos usar o efeito ISW junto com o modelo cosmológico padrão (neste caso o Universo esta dominado pela constante cosmológica e a Matéria Escura Fria, ΛCDM) mais algoritmos numéricos para restringir os parâmetros em um modelo cosmológico com energia escura. Para diferentes casos com um único parâmetro livre de um model de Quintessência parametrizado,' w IND. 0' < 0 e 2,0 < 'w IND. a' <−2,0, podemos encontrar bins de largura [−1,926,−0,323] em 'w ind. 0' e [−0,855, 1,190]. Nestes intervalos, obtemos um sigma de nivel tomando o 68% da amostra que melhor se ajusta ao modelo cosmológico padrão / Abstract: Current observations of the Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP) satellite of Cosmic Microwave Background (CMB) and Large Scale Structure (LSS) have allowed to improve studies of the secondary anisotropies, especially the Integrated Sachs-Wolfe effect (ISW). Using the cross-correlation between the CMB and LSS maps, the ISW effect signal can be detected. We can use the ISW effect together with standard cosmological model (in this case the Universe is dominated by the cosmological constant and Cold Dark Matter, ΛCDM) plus numerical algorithms to constrain the parameters in a cosmological model with dark energy. For cases different with a single free parameter of a parameterised Quintessence model, 'w ind. 0' < 0 and 2,0 < 'w ind. a' <−2,0, we can find bins of width [−1,926,−0,323] in 'w ind. 0' and [−0,855, 1,190] in wa. In these intervals, we obtain one sigma level by taking the 68% of the sample which best fit the standard cosmological model / Mestre

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.

Após uma revisão das bases da cosmologia moderna e dos mecanismos de produção de anisotropias na radiação cósmica de fundo, calculamos a relação entre a polarização da radiação cósmica de fundo causada por espalhamento Thomson no gás ionizado presente em aglomerados de galáxias e o potencial gravitacional da época do desacoplamento dos fótons com a matéria, em z \' 1100. Mostramos como é possível realizar, em teoria, uma tomografia desse potencial gravitacional em todo o universo observável e como a correlação desse sinal de polarização com o contraste de densidade de matéria poderia nos ajudar a restringir parâmetros cosmológicos. Entretanto, o fraco sinal esperado para essa polarização nos leva à conclusão de que uma tomografia do potencial gravitacional, através desse método, é impraticável no futuro próximo. / After a review of the foundations of modern cosmology and the cosmic microwave background anisotropies production mechanisms, we calculated the relation between the cosmic microwave background polarization caused by Thomson scattering in the ionized gas found in galaxy clusters and the gravitational potential from the photon decoupling epoch, on z \' 1100. We have shown how it is possible to make, in theory, a tomography of this potential over all the observable universe and how the correlation of this polarization signal with the matter density contrast could help us constrain cosmological parameters. However, the weak signal expected for this polarization shows that a gravitational potential tomography using this method is unfeasible in the near future.

Neste trabalho realizamos cálculos teóricos das razões de povoamento dos níveis de estrutura fina do C0, C+ e Si+ considerando em detalhes os efeitos dos diversos mecanismos de excitação: colisões, fluorescência e a radiação cósmica de fundo. Empregamos dados atômicos recentes coletados na literatura na resolução das equações de equilíbrio estatístico pertinentes. A confrontação das razões de povoamento calculadas com as razões de densidades de coluna observadas disponíveis na literatura nos permite obter informações acerca das condições físicas (densidades volumétricas, intensidade de um campo de radiação UV presente, temperatura da radiação cósmica de fundo) e propriedades (dimensão característica e massa) dos sistemas damped Lyman a e Lyman Limit vistos em absorção no espectro de QSOs. Como um aparte, e por sua relação com o tema do trabalho, também investigamos a lei de temperatura da radiação cósmica de fundo. / In this work we perform theoretical calculations of the population ratios of fine structure levels of C0, C+ and Si+ considering in detail the effect of the various excitation mechanisms: collisions, fluorescence and the cosmic background radiation. We employ recent atomic data, gathered in the literature, to solve the related statistical equilibrium equations. The comparison of the calculated population ratios with the observed column densities ratios available in the literature allows us to obtain informations regarding the physical conditions (volume densities, intensity of a UV radiation field present, temperature of the cosmic background radiation) and properties (characteristic size and mass) of damped Lyman a and Lyman Limit systems seen in absorption in spectra of QSOs. We also investigate the temperature law of the cosmic background radiation, which bears a tight relationship with this work.

Orientador: Carlos Ourivio Escobar / Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Instituto de Fisica Gleb Wataghin / Made available in DSpace on 2018-08-03T19:37:19Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Peixoto_CarlosJoseTodero_M.pdf: 3956031 bytes, checksum: 4eff2bec5351ea343548019fb3497fbf (MD5) Previous issue date: 2003 / Resumo: A compreensão da radiação cósmica - a saber: os mecanismos de produção/aceleração e os processos de propagação - passa pela determinação de três grandezas: a energia dessa radiação, sua direção de chegada e sua composição química. Essas três "frentes de trabalho":desafiam a experiência, a capacidade e a responsabilidade de vários grupos de físicos de partículas do mundo todo. Este trabalho se refere à composição do primário da radiação cósmica no âmbito da Colaboração Auger. Ele não tem a ambição de encontrar uma técnica denitiva para a obtenção deste parâmetro. Aliás, determinar a composição química do primário é algo difícil, tendo em vista a dependência de modelos de interação hadrônica e a impossibilidade (atual) de sua caracterizac¸ são evento a evento. Dos vários parâmetros usados para se estimar essa composição, tentamos analisar cinco deles: Xmax, t10-50 , t50-90 ,t10-90 , Plocal. Estes foram obtidos por meio de simulação¸ de Monte Carlo, através dos códigos CORSIKA e AIRES. A rede de detectores de superfície foi simulada usando-se o programa SAMPLE. Os resultados das simulações foram comparados, quando possível, a dados experimentais fornecidos pelo Engineering Array do sítio sul do Observatório Auger / Abstract: The understanding of cosmic radiation - the production/acceleration mechanism and the propagation processes - involves the determination of three parameters: the energy of this radiation, its arrival direction and the chemical composition. These three tasks have challenged the experience, the skill and responsibility of several groups of particle physicists over the whole world. This work refers to the primary cosmic ray composition in the scope of the Auger Collaboration. It does not intend to present a denite technique to obtain this parameter. As a matter of fact, to determine the primary composition is something difcult, considering the hadronic model dependence and the impossibility (nowadays) of its description event by event. Among the several parameters used to estimate the composition, we attempted to investigate ve of them: Xmax, t10-50 , t50-90 ,t10-90 , Plocal. They were obtained through Monte Carlo simulation with two different codes: CORSIKA and AIRES. The surface array was simulated by the SAMPLE program. The simulation results were compared, when possible, to experimental data from the Engineering Array of the Auger Observatory / Mestrado / Física / Mestre em Física