Constraining f(Q) Cosmology with Standard Sirens
| Autor(a) principal: | |
|---|---|
| Data de Publicação: | 2022 |
| Tipo de documento: | Dissertação |
| Idioma: | eng |
| Título da fonte: | Repositório Científico de Acesso Aberto de Portugal (Repositórios Cientìficos) |
| Texto Completo: | http://hdl.handle.net/10451/56627 |
Resumo: | Tese de mestrado, Física (Astrofísica e Cosmologia), 2022, Universidade de Lisboa, Faculdade de Ciências |
| id |
RCAP_bbe428f05354cd5c687325503c3152cb |
|---|---|
| oai_identifier_str |
oai:repositorio.ul.pt:10451/56627 |
| network_acronym_str |
RCAP |
| network_name_str |
Repositório Científico de Acesso Aberto de Portugal (Repositórios Cientìficos) |
| repository_id_str |
7160 |
| spelling |
Constraining f(Q) Cosmology with Standard SirensSirenes PadrãoOndas GravitacionaisAstronomia MultimensageiraGravidade ModificadaCosmologia ObservacionalTeses de mestrado - 2022Departamento de FísicaTese de mestrado, Física (Astrofísica e Cosmologia), 2022, Universidade de Lisboa, Faculdade de CiênciasA nossa dissertação tem como objetivo estudar dois modelos cosmológicos, que têm como base teorias de gravidade modificadas que envolvem à não-metricidade, em vez da tradicional teoria da Relatividade Geral. Recorrendo a catálogos simulados de sirenes padrão, vamos prever a capacidade de futuros observatórios de ondas gravitacionais conseguirem constranger os parâmetros presentes nesses mesmos modelos, bem como se serão capazes de os distinguir do modelo padrão da cosmologia. O modelo padrão da cosmologia, conhecido como ΛCDM, foi desenvolvido ao longo do último século com o intuito de descrever o Universo na sua maior escala. Sendo relativamente simples na sua formulação teórica, tendo por base um universo isotrópico e homogéneo com interações descritas pela teoria da Relatividade Geral, tem sido validado nas últimas duas décadas através das suas previsões, face a observações feitas com cada vez maior precisão. No entanto, apesar dos seus grandes sucessos, existem ainda várias questões por esclarecer. Em particular, a existência de observações em tensão entre si, das quais se destaca a tensão de Hubble, a anomalia na radiação cósmica de fundo, bem como a falta de deteção em laboratório dos dois componentes mais prevalecentes do universo, a matéria e energia escura. Existem, naturalmente, inúmeras abordagens possíveis para tentar encontrar um novo modelo que seja capaz de resolver os problemas que existem em torno de ΛCDM. Nesta dissertação, vamos considerar teorias de gravidade modificada baseadas em não-metricidade, que foram inicialmente propostas com o intuito de unificar a gravitação com o eletromagnetismo, e vão ser agora utilizadas para construir modelos cosmológicos alternativos ao modelo padrão da cosmologia. A Relatividade Geral como a descrição da interação gravitacional teve como consequência a previsão de vários fenómenos até então inobserváveis. Um desses fenómenos, que tem particular interesse para esta dissertação, é a existência de ondas gravitacionais, que foram observadas pela primeira vez por uma análise indireta do sistema binário de Hulse-Taylor em 1974, e mais tarde, em 2015, medidas diretamente pelo Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO). Estes eventos têm como principal origem sistemas binários de corpos extremamente compactos (por exemplo buracos negros, estrelas de neutrões). Estes eventos são possíveis pois na teoria da Relatividade Geral os sistemas binários são instáveis, emitindo ondas gravitacionais gradualmente, fazendo com que a distância entre os corpos diminua, até à sua colisão. No caso em que os corpos compactos emitem também ondas eletromagnéticas, como por exemplo no caso da colisão de duas estrelas de neutrões, temos um evento que se chama sirene padrão. Estes eventos são de extrema importância para o estudo da cosmologia, pois é possível obter o desvio para o vermelho a partir da onda eletromagnética e a distância luminosa a partir da onda gravitacional. Isto permite-nos constranger um modelo cosmológico sem recorrer a uma escada de distâncias cosmológicas, evitando assim eventuais erros de calibração. Até à data apenas houve uma ocorrência confirmada de um evento deste tipo, o GW170817. Não é portanto possível constranger modelos com dados actuais de sirenes padrão, e vamos alternativamente, criar catálogos simulados de sirenes padrão, com o intuito de conseguir saber se no futuro será possível distinguir os modelos cosmológicos que vamos considerar ao longo desta dissertação do modelo padrão da cosmologia. No primeiro capítulo desta dissertação vamos fazer uma introdução geral aos conceitos que vamos desenvolver ao longo do documento e que vão também servir de motivação para o trabalho desenvolvido. Iremos destacar qual o objetivo principal da cosmologia como área de estudo, algumas das características e falhas de ΛCDM, o facto de ser possível ver a gravidade como uma consequência da geometria do espaço-tempo e uma breve introdução a sirenes padrão. Os principais objetivos do trabalho, bem como a estrutura do documento, também estarão presentes nesse mesmo capítulo. No segundo capítulo, iremos apresentar a gravidade como a consequência da geometria do espaço-tempo. Vamos também mostrar que, ao contrário do que acontece na teoria da Relatividade Geral, não é necessária a existência de curvatura para descrever esta interação. A fim de poder fazer essa construção, vamos introduzir brevemente o conceito de não-metricidade e de torção, dois objetos que são assumidos ser nulos na teoria da Relatividade Geral. Com estes objetos vamos mostrar que é possível construir três teorias equivalentes entre si, na qual uma delas é uma teoria exclusivamente não métrica, baseada no escalar da não-metricidade Q, a outra é baseada apenas em torção, e a terceira é a teoria da Relatividade Geral, que depende unicamente da curvatura. De seguida vamos generalizar cada uma destas teorias promovendo a quantidade escalar na ação para uma função arbitrária do mesmo, com particular interesse na teoria de f(Q), que estará no centro desta dissertação. No terceiro capítulo, iremos introduzir formalmente as considerações por detrás dos nossos modelos cosmológicos. Ao longo desta dissertação foi considerado que o Universo nas grandes escalas é homogéneo e isotrópico, bem como espacialmente plano, e encontra-se preenchido por um fluido perfeito. Em seguida, vamos apresentar o modelo padrão da cosmologia e as modificações que têm lugar ao considerar modelos cosmológicos baseados em f(Q), tanto na evolução do fundo cósmico como na propagação de ondas gravitacionais. No quarto capítulo vamos expor as fontes de dados que utilizámos ao longo do trabalho, desde as Supernova tipo Ia ao processo de gerar catálogos simulados de sirenes padrão para todos os observatórios considerados. Para isso, vamos descrever as características dos detetores de ondas gravitacionais da colaboração LIGO-Virgo, bem como as expectativas existentes para futuros observatórios como o Laser Interferometer Space Antenna (LISA) e o Einstein Telescope (ET). O final deste capítulo será dedicado à metodologia da nossa análise estatística, descrevendo como e com que ferramentas foram realizados os constrangimentos dos modelos, bem como o processo de seleção de modelos e de catálogos. O quinto capítulo será dedicado ao modelo de f(Q) mais geral que replica a dinâmica de fundo de ΛCDM, apresentado diferenças somente na propagação de perturbações. Ao introduzir apenas um parâmetro adicional quando comparado com ΛCDM, denominado por α, iremos analisar qual é a capacidade de cada observatório de colocar limites no valor do parâmetro α. Foi observado que o LIGO-Virgo não é capaz de colocar limites ao valor de α, enquanto que o ET e o LISA são, com o ET a colocar limites mais fortes do que o LISA. Foi observado que tanto o LIGO-Virgo como o LISA sofrem de flutuações estatísticas nos seus catálogos, pelo que serão considerados três casos representativos: o melhor, o mediano e o pior. Pelo contrário, o ET não sofre destas flutuações estatísticas, dado que o número de eventos é suficientemente grande para que essas flutuações sejam desprezáveis. Mostrámos também que mesmo se no futuro se obtiver um mau catálogo do LISA, podemos utilizar os dados do LIGO-Virgo para aproximar esse catálogo a um catálogo mediano do LISA. No sexto capítulo iremos estudar um modelo de f(Q) que tem como objetivo substituir a existência de energia escura através da introdução de uma forma específica na modificação à gravidade. Em primeira instância foi feita uma análise recorrendo a técnicas de sistemas dinâmicos para analisar regiões no espaço de parâmetros que apresentam cosmologias que estão de acordo com as observações atuais. Utilizando o processo de seleção de modelos introduzido previamente, recorrendo apenas a sirenes padrão, é impossível distinguir este modelo de ΛCDM. No entanto, ao introduzirmos os dados de Supernovas do tipo Ia, surgem tensões no modelo quando comparado com sirenes padrão. Significa isto que, no futuro, será possível utilizar dados de sirenes padrão para distinguir este modelo de ΛCDM. No sétimo e último capítulo encerramos a dissertação fazendo considerações finais, bem como apresentar perspetivas futuras para dar continuidade ao trabalho aqui desenvolvido.In this dissertation, we study two cosmological models based on f(Q) gravity. We resort to mock catalogs of standard siren (SS) events to see whether data from future GW observatories will be able to distinguish these models from ΛCDM. The first model is the most general f(Q) formulation that replicates a ΛCDM background, with deviations appearing only at the perturbative level. It has one additional free parameter compared to ΛCDM, α, which when set to zero falls back to ΛCDM. We show that LIGO-Virgo is unable to constrain α, due to the high error and low redshift of the measurements, whereas LISA and the ET will, with the ET outperforming LISA. The catalogs for both LISA and LIGO-Virgo show non-negligible statistical fluctuations, where we consider three representative catalogs (the best, median and worst), whereas for the ET, only a single catalog is considered, as the number of events is large enough for statistical fluctuations to be neglected. The best LISA catalog is the one with more low redshift events, while the worst LISA catalog features fewer low redshift events. Additionally, if we are to observe a bad LISA catalog, we can rely on data from LIGO-Virgo to improve the quality of the constrains, bringing it closer to a median LISA catalog. The second model attempts to replace dark energy by making use of a specific form of the function f(Q). We study this model resorting to dynamical system techniques to show the regions in parameter space with viable cosmologies. Using model selection criteria, we show that no number of SS events is, by itself, able to tell this model and ΛCDM apart. We then show that if we add current SnIa data, tensions in this model arise when compared to the constrains set by the SS events.Nunes, NelsonBarreiro, TiagoRepositório da Universidade de LisboaFerreira, José Pedro Mota Valente2023-03-10T11:11:11Z202220222022-01-01T00:00:00Zinfo:eu-repo/semantics/publishedVersioninfo:eu-repo/semantics/masterThesisapplication/pdfhttp://hdl.handle.net/10451/56627enginfo:eu-repo/semantics/openAccessreponame:Repositório Científico de Acesso Aberto de Portugal (Repositórios Cientìficos)instname:Agência para a Sociedade do Conhecimento (UMIC) - FCT - Sociedade da Informaçãoinstacron:RCAAP2023-11-08T17:04:24Zoai:repositorio.ul.pt:10451/56627Portal AgregadorONGhttps://www.rcaap.pt/oai/openaireopendoar:71602024-03-19T22:07:09.812621Repositório Científico de Acesso Aberto de Portugal (Repositórios Cientìficos) - Agência para a Sociedade do Conhecimento (UMIC) - FCT - Sociedade da Informaçãofalse |
| dc.title.none.fl_str_mv |
Constraining f(Q) Cosmology with Standard Sirens |
| title |
Constraining f(Q) Cosmology with Standard Sirens |
| spellingShingle |
Constraining f(Q) Cosmology with Standard Sirens Ferreira, José Pedro Mota Valente Sirenes Padrão Ondas Gravitacionais Astronomia Multimensageira Gravidade Modificada Cosmologia Observacional Teses de mestrado - 2022 Departamento de Física |
| title_short |
Constraining f(Q) Cosmology with Standard Sirens |
| title_full |
Constraining f(Q) Cosmology with Standard Sirens |
| title_fullStr |
Constraining f(Q) Cosmology with Standard Sirens |
| title_full_unstemmed |
Constraining f(Q) Cosmology with Standard Sirens |
| title_sort |
Constraining f(Q) Cosmology with Standard Sirens |
| author |
Ferreira, José Pedro Mota Valente |
| author_facet |
Ferreira, José Pedro Mota Valente |
| author_role |
author |
| dc.contributor.none.fl_str_mv |
Nunes, Nelson Barreiro, Tiago Repositório da Universidade de Lisboa |
| dc.contributor.author.fl_str_mv |
Ferreira, José Pedro Mota Valente |
| dc.subject.por.fl_str_mv |
Sirenes Padrão Ondas Gravitacionais Astronomia Multimensageira Gravidade Modificada Cosmologia Observacional Teses de mestrado - 2022 Departamento de Física |
| topic |
Sirenes Padrão Ondas Gravitacionais Astronomia Multimensageira Gravidade Modificada Cosmologia Observacional Teses de mestrado - 2022 Departamento de Física |
| description |
Tese de mestrado, Física (Astrofísica e Cosmologia), 2022, Universidade de Lisboa, Faculdade de Ciências |
| publishDate |
2022 |
| dc.date.none.fl_str_mv |
2022 2022 2022-01-01T00:00:00Z 2023-03-10T11:11:11Z |
| dc.type.status.fl_str_mv |
info:eu-repo/semantics/publishedVersion |
| dc.type.driver.fl_str_mv |
info:eu-repo/semantics/masterThesis |
| format |
masterThesis |
| status_str |
publishedVersion |
| dc.identifier.uri.fl_str_mv |
http://hdl.handle.net/10451/56627 |
| url |
http://hdl.handle.net/10451/56627 |
| dc.language.iso.fl_str_mv |
eng |
| language |
eng |
| dc.rights.driver.fl_str_mv |
info:eu-repo/semantics/openAccess |
| eu_rights_str_mv |
openAccess |
| dc.format.none.fl_str_mv |
application/pdf |
| dc.source.none.fl_str_mv |
reponame:Repositório Científico de Acesso Aberto de Portugal (Repositórios Cientìficos) instname:Agência para a Sociedade do Conhecimento (UMIC) - FCT - Sociedade da Informação instacron:RCAAP |
| instname_str |
Agência para a Sociedade do Conhecimento (UMIC) - FCT - Sociedade da Informação |
| instacron_str |
RCAAP |
| institution |
RCAAP |
| reponame_str |
Repositório Científico de Acesso Aberto de Portugal (Repositórios Cientìficos) |
| collection |
Repositório Científico de Acesso Aberto de Portugal (Repositórios Cientìficos) |
| repository.name.fl_str_mv |
Repositório Científico de Acesso Aberto de Portugal (Repositórios Cientìficos) - Agência para a Sociedade do Conhecimento (UMIC) - FCT - Sociedade da Informação |
| repository.mail.fl_str_mv |
|
| _version_ |
1799134624764395520 |