Impacto da Energia Escura na Dinâmica de Enxames de Galáxias

Programa de Estímulo à Investigação 2012 (Processo nº 127278)

Principal investigator
Pedro P. Avelino

Mais de uma década passou desde a primeira evidência observacional para a aceleração da expansão do Universo, através da observação de supernovas distantes. Desde então, um número crescente de dados observacionais independentes confirmou que o Universo está realmente a acelerar, o que culminou com a atribuição do Prémio Nobel da Física de 2011, pela Academia Real das Ciências da Suécia, a Saul Perlmutter, líder da equipa do projeto 'Cosmologia com supernovas', e a aBrian Schmidt e Adam Riess, líderes da equipa do projeto 'Procura de supernovas a desvio para o vermelho elevado'. No contexto da Relatividade Geral, esta aceleração só é explicável se o nosso Universo for dominado por uma componente exótica, conhecida como energia escura, que viola a condição de energia forte. Os limites observacionais à equação de estado da energia escura são consistentes com a possibilidade desta ser descrita por uma constante cosmológica. No entanto, o valor desta constante teria que ser inferior em cerca de 120 ordens de magnitude ao valor previsto pela teoria quântica de campo. Outro problema fundamental associado à constante cosmológica, denominado problema da conincidência, está relacionado com o facto de a aceleração do Universo observada ter sido iniciada a um desvio para o vermelho inferior a 1. Estes problemas podem ser aliviados no contexto de modelos dinâmicos de energia escura, em que a densidade de energia desta componente evolui no espaço e no tempo. Os modelos usuais de energia escura consideram um acoplamento m´nimo entre matéria escura e energia escura em que esta última possui uma velocidade do som da ordem da velocidade da luz, o que resulta em flutuações de densidade relativamente pequenasnesta componente. No entanto, não existem razões fortes para não considerar a possibilidade da existência de flutuações apreciáveis na densidade de energia escura ou a presença de um acoplamento não mínimo entre matéria e a energia escura. Embora estas duas componentes, no seu conjunto, sejam responsáveis por cerca de 96% do conteúdo energético do Universo, a sua natureza é ainda, em grande medida, desconhecida.Esta situação deverá alterar-se substancialmente com a missão EUCLID, missão espacial de classe média do programa Cosmic Vision 2015-2025 da ESA, que foi recentemente aprovada paraa ser lançada em 2020. Em Portugal esta missão tem como afiliados o Centro de Astrofísica da Universidade do Porto (CAUP) e o Centro de Astronomia e Astrofísica da Universidade de Lisboa (CAAUL). O objectivo científico principal da missão é a caracterização das propiedades da energia escura, incluindo a evolução da sua equação de estado com o desvio para o vermelho com uma precisão sem precedentes.

A equação de Layer-Irvine descreve a evolução da energia E de um sistema de partículas não relativistas que interagem apenas gravitacionalmente num universo em expansão e é das equações mais famosas da cosmologia moderna. Esta equação é válida durante todo o processo de formação de estruturas cosmológicas, sendo que a relação de virial é obtida no limite em que o sistema em estudo atinge o estado de equilibrio hidrostática (E constante). Entre múltiplas aplicações, esta equação foi sugerida como uma ferramenta importante no estudo da dinâmica de enxames de galáxias. Recentemente, foi demonstrado que a equação Layer-Irvine usual premanece válida na presença de um componente homogénea de energia escura (ou quase homogénea) com uma equação de estado arbitrária, mas que a sua forma é alterada no caso de existir um acoplamento não mínimo entre a matéria escura. Esta alteração constitui assim uma assinatura importante dessa interação. Através da medição das propriedades das estrruturas cosmológicas não-lineares de maior dimensão (enxames de galáxias) poderá ser possível a deteção observacional da intenção entre a matéria escura e a energia escura através de desvios da relação de virial usual.

Neste projeto a equação Layzer-Irvine será generalizada para descrever modelos em que a energia escura é não homogénea e existe um acoplamento não mínimo entre a matéria escura e energia escura, sendo o estudo o seu uso prático na procura de assinaturas dessa interação. Neste context, será utilizado o modelo de colapso esférico para o estudo do colapsoi não-linear da matéria escura. O projeto envolverá várias etapas:

1.- Estudo analítico e numérico do colapso esférico de matéria escura, incluindo uma componente de energia escura não homogênea com um acoplamento não mínimo à matéria escura;

2.- Verificação da validade da equação Layzer-Irvine padrão no colapso esférico investigado na etapa anterior;

3.- Generalização da equação Layzer-Irvine para o caso do colapso esférico de matéria escura na presença de uma componente de energia escura não homogénea com um acoplamente não mínimo à matéria escura;

4.- Análise das implicações dos resultados obtidos nas etapas anteriores para a deteção de inomogeneidades na distribuição de energia escura e/ou de um acoplamento não mínimo entre matéria e energia escura, em particular no contexto do EUCLID.

bolseiro: Cláudio Gomes
orientador: Pedro Avelino

Funding institution
Fundação Calouste Gulbenkian

Start: 1 January 2013
End: 31 December 2013