Le paradigme ΛCDM est le modèle standard de la cosmologie. Dans ce modèle, l'univers est constitué aujourd'hui en majeure partie par de la matière noire froide (CDM) et la constante cosmologique Λ qui produit l'accélération cosmique. Cependant, ce modèle standard n'est pas entièrement complet. L'utilisation de la constante cosmologique introduit des problèmes théoriques dans une description de la théorie des champs quantiques et des indications observationnelles suggèrent que notre description à grande échelle de l'univers devrait être affinée. Ainsi, trouver des alternatives au modèle standard est d'une importance cruciale aujourd'hui. / The ΛCDM paradigm is the standard model of cosmology. In this model, the universe is constituted today for the major part by Cold Dark Matter along with the Cosmological Constant Λ that drives cosmic acceleration. However, this standard model is not fully complete. Using the Cosmological Constant introduces theoretical issues in a quantum field theory description and tentative observational evidences suggests our large scale description of the universe should be refined. Finding alternatives to the standard model is therefore of crucial importance today.

Um dos maiores desafios atuais da cosmologia é entender a natureza da energia escura. Esse trabalho busca usar os dados das distâncias de supernovas do tipo 1a, da idade de galáxias com população estelar muito antiga, das oscilações acústicas de bárions e das anisotropias da radiação cósmica de fundo para encontrar através do método de Monte Carlo em cadeias de Markov os parâmetros livres de uma possível equação de estado para a energia escura (w(z)) em redshift 0 < z < 2000. Entretanto esse trabalho não encontrou nenhum tipo de diferença significativa entre a equação de estado proposta e w = -1 dentro do intervalo de redshift estudado. / One of the current major challenges of cosmology is understand the nature of the dark energy. This work uses the data from supernovas type 1a, galaxies with old stellar populations, baryonic accustic oscilations and anisotropy of the cosmic microwave background to find through the Markov chains Monte Carlo method the free parameters of a possible equations of state for dark energy (w(z)) on redshift 0 < z < 2000. However, this work did not find any type of significant difference between the equation of state suggested and w = -1 inside the interval of redshift studied.

In this work we test a cosmological model with an interaction between dark energy and dark matter, where a tachyon scalar field plays the role of dark energy. With that in mind, we developed a numerical code that solves the background equations and extracts the cosmological parameters and we compared the results of the interacting tachyon model with those of other dark energy candidates. Our results show that the model indeed explains the observational data and has interesting cosmological properties, but might face challenges when compared to other dark energy candidates. / Neste trabalho testamos um modelo cosmológico com uma interação entre energia escura e matéria escura, onde um campo escalar taquiônico desempenha o papel da energia escura. Para isso, desenvolvemos um código computacional que resolve as equações numericamente e vincula os parâmetros cosmológicos e, assim, comparamos os resultados do modelo taquiônico interagente com os de outros candidatos à energia escura. Nossas análises mostram que o modelo, de fato, consegue explicar os dados observacionais, além de possuir propriedades cosmológicas interessantes, mas apresenta dificuldades quando comparado a outros modelos de energia escura.

Modern Cosmology offers us a great understanding of the universe with striking precision, made possible by the modern technologies of the newest generations of telescopes. The standard cosmological model, however, is not absent of theoretical problems and open questions. One possibility that has been put forward is the existence of a coupling between dark sectors. The idea of an interaction between the dark components could help physicists understand why we live in an epoch of the universe where dark matter and dark energy are comparable in terms of energy density, which can be regarded as a strange coincidence given that their time evolutions are completely different. Dark matter and dark energy are generally treated as perfect fluids. Interaction is introduced when we allow for a non-zero term in the right-hand side of their individual energy-momentum tensor conservation equations. We proceed with a phenomenological approach to test models of interaction with observations of redshift-space distortions. In a flat universe composed only of these two fluids, we consider separately two forms of interaction, through terms proportional to the densities of both dark energy and dark matter. An analytic expression for the growth rate approximated as f = Omega^gamma, where Omega is the percentage contribution from the dark matter to the energy content of the universe and gamma is the growth index, is derived in terms of the interaction strength and of other parameters of the model in the first case, while for the second model we show that a non-zero interaction cannot be accommodated by the index growth approximation. The successful expressions obtained are then used to compare the predictions with growth of structure observational data in a Markov Chain Monte Carlo code and we find that the current growth data alone cannot impose constraints on the interaction strength due to their large uncertainties. We also employ observations of galaxy clusters to assess their virial state via the modified Layzer-Irvine equation in order to detect signs of an interaction. We obtain measurements of observed virial ratios, interaction strength, rest virial ratio and departure from equilibrium for a set of clusters. A compounded analysis indicates an interaction strength of 0.29^{+2.25}_{-0.40}, compatible with no interaction, but a compounded rest virial ratio of 0.82^{+0.13}_{-0.14}, which means a 2 sigma confidence level detection. Despite this tension, the method produces encouraging results while still leaves room for improvement, possibly by removing the assumption of small departure from equilibrium. / A cosmologia moderna oferece um ótimo entendimento do universo com uma precisão impressionante, possibilitada pelas tecnologias modernas das gerações mais novas de telescópios. O modelo cosmológico padrão, porém, não é livre de problemas do ponto de vista teórico, deixando perguntas ainda sem respostas. Uma possibilidade que tem sido proposta é a existência de um acoplamento entre setores escuros. A ideia de uma interação entre os componentes escuros poderia ajudar os físicos a entender por que vivemos em uma época do universo na qual a matéria escura e a energia escura são comparáveis em termos de densidades de energia, o que pode ser considerado uma estranha coincidência dado que suas evoluções com o tempo são completamente diferentes. Matéria escura e energia escura são geralmente tratadas como fluidos perfeitos. A interação é introduzida ao permitirmos um tensor não nulo no lado direito das equações de conservação dos tensores de energia-momento. Prosseguimos com uma abordagem fenomenológica para testar modelos de interação com observações de distorções no espaço de redshift. Em um universo plano composto apenas por esses dois fluidos, consideramos, separadamente, duas formas de interação, através de termos proporcionais às densidades de energia escura e de matéria escura. Uma expressão analítica para a taxa de crescimento aproximada por f = Omega^gamma, onde Omega é a contribuição percentual da matéria escura para o conteúdo do universo e gamma é o índice de crescimento, é deduzida em termos da interação e de outros parâmetros do modelo no primeiro caso, enquanto para o segundo caso mostramos que uma interação não nula não pode ser acomodada pela aproximação do índice de crescimento. As expressões obtidas são então utilizadas para comparar as previsões com dados observacionais de crescimento de estruturas em um programa para Monte Carlo via cadeias de Markov. Concluímos que tais dados atuais por si só não são capazes de restringir a interação devido às suas grandes incertezas. Utilizamos também observações de aglomerados de galáxias para analisar seus estados viriais através da equação de Layzer-Irvine modificada a fim de detectar sinais de interação. Obtemos medições de taxas viriais observadas, constante de interação, taxa virial de equilíbrio e desvio do equilíbrio para um conjunto de aglomerados. Uma análise combinada indica uma constante de interação 0.29^{+2.25}_{-0.40}, compatível com zero, mas uma taxa virial de equilíbrio combinada de 0.82^{+0.13}_{-0.14}, o que significa uma detecção em um intervalo de confiança de 2 sigma. Apesar desta tensão, o método produz resultados encorajadores enquanto ainda permite melhorias, possivelmente pela remoção da suposição de pequenos desvios do equilíbrio.

Os recentes avanços em cosmologia observacional indicam que o universo esteja passando por uma fase de expansão acelerada. A determinação do mecanismo responsável pela aceleração cósmica constitui um dos problemas mais intrigantes na ciência hoje. Entre os diversos candidatos a mecanismo de aceleração, a explicação mais simples e econômica é assumir a existência de uma constante cosmológica associada à energia do vácuo. Contudo, essa interpretação leva a importantes problemas conceituais associados à natureza dessa componente. Nesta tese, investigamos a dinâmica de diferentes mecanismos de aceleração cósmica, comparando suas previsões com diversos testes observacionais. Em particular, demos ênfase aos cenários baseados na criação de matéria escura fria (CCDM), nos quais a presente aceleração do universo é produzida sem a presença de um fluido exótico, como consequência do processo de produção de partículas de matéria escura gravitacionalmente induzido. Inicialmente, propusemos um modelo no qual o mecanismo de criação de partículas é capaz de gerar uma cosmologia dinamicamente degenerada com o modelo padrão, CDM. Discutimos no chamado modelo de Lima, Jesus & Oliveira (LJO) a dinâmica cosmológica com criação de matéria escura fria e com pressão. Através de um teste estatístico de $\\chi^2$, mostramos que o modelo fornece ótimo ajuste aos dados de supernovas tipo Ia (SNe Ia). Posteriormente, estudamos a evolução de pequenas perturbações de densidade em um fundo homogêneo para modelos tipo CCDM, através do formalismo Neo-Newtoniano. Restringindo-nos ao modelo LJO, comparamos as previsões obtidas nesse contexto com as proveniente do modelo CDM. Mostramos que o modelo é capaz de fornecer excelente ajuste aos dados observacionais de medidas da taxa de crescimento linear, para o caso plano e com velocidade efetiva do som $c^2_=-1$. Ainda dentro do cenário CCDM, investigamos uma segunda proposta original, com capacidade de ajuste às observações similar aos modelos CDM e LJO com mesmo número de parâmetros livres, porém com dinâmica não degenerada com estes. Derivamos a dinâmica cosmológica do modelo e discutimos a sua viabilidade através da análise estatística de medidas de SNe Ia e do parâmetro de Hubble em diferentes redshifts $H(z)$. Finalmente, discutimos a dinâmica de um modelo com decaimento do vácuo ((t)CDM) e sua descrição em campos escalares. Assumindo como forma d o termo de vácuo uma série de potências truncada do parâmetro de Hubble, derivamos as equações dinâmicas básicas e as previsões cosmológicas do modelo. Mostramos que, quando a transferência de energia entre as componentes dos setor escuro se dá através da criação de partículas, modelos CCDM e (t)CDM podem compartilhar a mesma dinâmica e termodinâmica, dentro de certas condições. Adicionalmente, mostramos que o modelo é capaz de prover um bom ajuste às medidas de SNe Ia e da chamada razão CMB/BAO. Obtivemos ainda uma descrição do modelo (t)CDM por um campo escalar, estendendo a validade do modelo para outros espaços-tempos e outras teorias gravitacionais. Nossos resultados mostram que existem diversas alternativas viáveis ao atual modelo padrão em cosmologia, capazes de contornar os problemas as sociados à constante cosmológica. A discussão dessas alternativas é essencial para uma compreensão mais profunda acerca da dinâmica, da composição e do destino do universo. / Recent advances in observational cosmology indicate that the universe is undergoing an accelerating stage of expansion. The determination of the mechanism responsible for the cosmic acceleration is one of the most intriguing problems in science today. Among many candidates for the acceleration mechanism, the simplest and most economical explanation is to assume the existence of a cosmological constant associated with the vacuum energy. However, this interpretation leads to important conceptual problems associated with the nature of this component. In this thesis, we investigate the dynamics of different mechanisms of cosmic acceleration, comparing their predictions through several observational tests. In particular, we emphasize the scenarios based on creation of cold dark matter (CCDM), in which the present acceleration of the universe is produced without the presence of an exotic fluid as a result of the gravitationally induced dark matter production process. Initially, we have proposed a model in which the particle creation mechanism is able to produce a cosmology dynamically degenerated with respect to the standard model, CDM. We discussed the cosmological dynamics for the creation of cold dark matter and dark matter with pressure within the so-called model of Lima, Jesus & Oliveira (LJO). Through a statistical $\\chi^2$ test, we showed that the model provides a good fit to the type Ia supernovae (SNe Ia) data. Subsequently, we studied the evolution of small density perturbations in a homogeneous background for CCDM type models through the Neo-Newtonian formalism. Restricting ourselves to the LJO model, the predictions obtained in this context were compared with those from the CDM model. We showed that the model is able to provide a very good fit to the linear growth rate observational data, for a flat universe and effective speed of sound $c^2_=-1$. Also within the CCDM scenario, we discussed a second original proposal with similar goodnes-of-fit and same degree of freedom to the models CDM and LJO, but with a non-degenerated dynamics. We derived the dynamics of the model and discussed its viability through the statistical analysis of measurements of SNe Ia and Hubble parameter in different redshifts $H(z)$, obtaining results in complete agreement. Finally, we discussed the dynamics of a model with vacuum decay ((t)CDM) and its description by scalar fields. Assuming the form of the vacuum term as a power series in the Hubble parameter, we derived the basic dynamic equations and the cosmological predictions of the model. We showed that when the energy exchange between the components of the dark sector is through the creation of particles, CCDM models and (t)CDM can share the same dynamics and thermodynamics under certain conditions. Additionally, we showed that the model is able to provide a good fit to the SNe Ia data and measurements of the CMB/BAO ratio. We also derived a description of CDM model by a scalar field, extending the validity of the model for other space-times and other gravitational theories. Our results show that there are several viable alternatives to the current standard model of cosmology, able to overcome the problems associated with the cosmological constant. The discussion of these alternatives is essential to a deeper understanding of the dynamics,composition and fate of the universe.

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

Nesta dissertação nós propomos uma nova cosmologia relativística acelerada cujo conteúdo material é composto apenas por bárions e matéria escura fria. A não existência de uma componente de energia escura implica que nosso cenário é baseado numa redução do chamado setor escuro do universo. Neste modelo, o presente estágio acelerado é determinado pela pressão negativa descrevendo a produção de partículas de matéria escura fria induzida pelo campo gravitacional variável do universo. Para um universo espacialmente plano ($\\Omega _ + \\Omega _b = 1$), como previsto pela inflação, este tipo de cenário possui somente um parâmetro livre e a equação diferencial governando a evolução do fator de escala é exatamente a mesma do modelo $\\Lambda$CDM. Neste caso, encontramos que o parâmetro efetivo de densidade de matéria é $\\Omega_= 1 - \\alpha$, onde $\\alpha$ é um par\\^metro constante ligado à taxa de criação de matéria escura fria. Aplicando um teste estatístico $\\chi^2$ para os dados de Supernovas do tipo Ia (Union Sample 2008), limitamos os par\\^metros livres do modelo nos casos espacialmente plano e com curvatura. Em particular, encontramos que para o caso plano $\\alpha \\sim 0.71$, de forma que $\\Omega_ \\sim 0.29$, como tem sido inferido independentemente por lentes gravitacionais fracas, estrutura de grande escala, radiação cósmica de fundo e outras observações complementares. / In this dissertation we propose a new accelerating relativistic cosmology whose matter content is composed only by baryons and cold dark matter. The nonexistence of a dark energy component implies that our scenario is based on a reduction of the so-called dark sector of the Universe. The present accelerating stage in this model is powered by the negative pressure des\\-cribing the cold dark matter particle production induced by the variable gravitational field of the Universe. For a spatially flat universe ($\\Omega _ + \\Omega _b = 1$), as predicted by inflation, this kind of scenario has only one free parameter and the differential equation governing the evolution of the scale factor is exactly the same of the $\\Lambda$CDM model. In this case, we find that the effectively observed matter density parameter is $\\Omega_ = 1 - \\alpha$, where $\\alpha$ is a constant parameter related to the cold dark matter creation rate. By applying a $\\chi^2$ statistical test for Supernovae type Ia data (Union Sample 2008), we constrain the free parameters of the model for spatially flat and curved cases. In particular, to the flat case we find $\\alpha \\sim 0.71$, so that $\\Omega_ \\sim 0.29$, as independently inferred from weak gravitational lensing, large scale structure, cosmic background radiation, and other complementary observations.

Uma série de observações advindas da medida da distância de supernovas tipo IA, idade das estrelas mais antigas, anisotropias da radiação cósmica de fundo, entre outras, evidenciam que o universo está passando por uma fase de expansão acelerada. Essa expansão está sendo causada por uma componente misteriosa denominada energia escura, que representa cerca de $70\\%$ do conteúdo total do universo, e cuja natureza é desconhecida. Para descrever a energia escura vários modelos têm sido propostos, entre eles, podemos destacar a energia do vácuo (constante cosmológica) e um campo escalar dinâmico (quintessência). Também são considerados modelos em que a energia escura interage com outro componente misterioso, a matéria escura. Existem vários testes observacionais para vincular os parâmetros desses modelos. Nesta dissertação, exploraremos um método baseado na idade de galáxias em altos redshifts e na idade do universo, conhecido em inglês como lookback time. / A number of observations arising from the measurement of distance of type IA Supernovae, age of oldest stars, anisotropy of cosmic microwave background, among others, show that the universe is undergoing a phase of accelerated expansion. This expansion is being caused by a mysterious component called dark energy, which represents about $70\\%$ of the total content of the universe, and whose nature is unknown. To describe the various dark energy models have been proposed, among them we highlight the vacuum energy (cosmological constant), and a dynamic scalar field (quintessence). Are also considered models in which dark energy interacts with another mysterious component, the dark matter. There are several observational tests to constraint the parameters of these models. In this dissertation, we explore a method based on age of galaxies at high redshift and the age of the universe, known as lookback time.

Cette thèse de cosmologie est consacrée à l'étude de l'empreinte de l'énergie noire sur la formation des structures de l'Univers. Je défini et introduit les régions cosmiques compensées comme l'environnement à grande échelle autour des extrema locaux dans le champ de densité. Dans le cas d'un minimum central, cette région peut être identifiée aux vides cosmiques usuels. A l'aide de simulations numériques, je montre que ces régions présentent des propriétés de formes particulières et qu'elles dépendent de la cosmologie. Je montre que la forme moyenne de ces profils de densité ainsi que leur propriétés statistiques peuvent être calculée analytiquement dans l'Univers primordial. En utilisant une dynamique appropriée, je montre qu'il est possible de suivre précisément l'évolution non linéaire de ces structures. Il devient alors possible de reconstruire les profils de matières observés aujourd'hui à partir les profils théoriques primordiaux évolués selon une dynamique appropriée. J’exhibe une propriété fondamentale de ces régions qui maintient constant une taille particulière, le rayon de compensation. Autour de ce point, l'évolution non linéaire du champ de matière peut être suivie analytiquement. En étudiant l'effondrement gravitationnel dans des théories étendues de gravité, je montre qu'il est possible de contraindre efficacement la nature de la gravité et de la cosmologie à partir de l'étude de certaines propriétés spécifiques à ces régions. Ce travail permet à la fois de donner une origine aux profils de matière sur les très grandes échelles cosmiques mais aussi de définir de nouvelles sondes cosmologiques pour tester la nature de notre Univers. / This thesis is devoted to the study of the imprints of dark energy on the formation of the large scale structures in the Universe. I define the spherically compensated cosmic regions as the large-scale environment around local extrema in the density field. For central minimum, this region can be identified with standard cosmic voids. Using numerical simulations, I show that these regions, once properly identified, can be used efficiently to distinguish competitive cosmological models. I show that the average shape of these density profiles and their statistical properties can be analytically computed in the primordial Universe. Using an appropriate dynamical formalism, I show that it is possible to follow the nonlinear evolution of these structures until today. This allows to reconstruct the shape of such large scale regions from first principles. I exhibit a fundamental property of these regions which maintains constant a particular size : the compensation radius. Around this radius, the nonlinear evolution of the matter field can be analytically derived. By studying the gravitational collapse in gravity models beyond General Relativity, I show that it is possible to constrain efficiently both cosmology and the nature of gravity. Beside giving a physically motivated model for both shape and statistical properties of such large scale matter profile, this work also define new cosmological probes that could be used to test the nature of our Universe.

We study a simple extension of the decoupling limit of boundary effctive actions for the Dvali-Gabadadze-Porrati model, by covariantizing the π lagrangian and coupling to gravity in the usual way. This extension agrees with DGP to leading order in Mpl^−1 , and simplifies the cosmological analysis. It is also shown to softly break the shift symmetry, while still being consistent with solar system observations. The generally covariant equations of motion for π and the metric are derived, then the cosmology is developed under the Cosmological Principle. Three analytic solutions are found and their stability is studied. Interesting DGP phenomenology is reproduced, and we consider one of the stable solutions. The cosmological analogue of the Vainshtein effect is reproduced and the effective equation of state, w_π, is shown to be bounded by −1 from above. This solution is additionally shown to be an attractor solution in an expanding universe. We evolve π numerically and reproduce these properties, and show that the universe will go through a contraction phase, due to this π field. We then place a constraint on r_c ≥ 10^29 cm, given recent WMAP5 data. This lower bound on r_c gives an upper bound on the anomalous perihelion precession of the moon ∼ 1 × 10^−13, 2 orders of magnitude below current experimental precision.