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Centro de Astrofísica da Universidade do Porto

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

Institute of Astrophysics and Space Sciences

Institute of Astrophysics and Space Sciences (IA) is a new but long anticipated research infrastructure with a national dimension. It embodies a bold but feasible vision for the development of Astronomy, Astrophysics and Space Sciences in Portugal, taking full advantage and fully realizing the potential created by the national membership of the European Space Agency (ESA) and the European Southern Observatory (ESO). IA resulted from the merging the two most prominent research units in the field in Portugal: the Centre for Astrophysics of the University of Porto (CAUP) and the Center for Astronomy and Astrophysics of the University of Lisbon (CAAUL). It currently hosts more than two-thirds of all active researchers working in Space Sciences in Portugal, and is responsible for an even greater fraction of the national productivity in international ISI journals in the area of Space Sciences. This is the scientific area with the highest relative impact factor (1.65 times above the international average) and the field with the highest average number of citations per article for Portugal.

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