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Título: Efeitos não-gaussianos em astrofísica e cosmologia
Autor(es): Almeida, Lúcio Marassi de Souza
Palavras-chave: Cosmologia;Astrofísica;Galáxias;Formação de grandes estruturas
Data do documento: 3-Jul-2007
Editor: Universidade Federal do Rio Grande do Norte
Citação: ALMEIDA, Lúcio Marassi de Souza. Efeitos não-gaussianos em astrofísica e cosmologia. 2007. 209 f. Tese (Doutorado em Física da Matéria Condensada; Astrofísica e Cosmologia; Física da Ionosfera) - Universidade Federal do Rio Grande do Norte, Natal, 2007.
Resumo: The recent astronomical observations indicate that the universe has null spatial curvature, is accelerating and its matter-energy content is composed by circa 30% of matter (baryons + dark matter) and 70% of dark energy, a relativistic component with negative pressure. However, in order to built more realistic models it is necessary to consider the evolution of small density perturbations for explaining the richness of observed structures in the scale of galaxies and clusters of galaxies. The structure formation process was pioneering described by Press and Schechter (PS) in 1974, by means of the galaxy cluster mass function. The PS formalism establishes a Gaussian distribution for the primordial density perturbation field. Besides a serious normalization problem, such an approach does not explain the recent cluster X-ray data, and it is also in disagreement with the most up-to-date computational simulations. In this thesis, we discuss several applications of the nonextensive q-statistics (non-Gaussian), proposed in 1988 by C. Tsallis, with special emphasis in the cosmological process of the large structure formation. Initially, we investigate the statistics of the primordial fluctuation field of the density contrast, since the most recent data from the Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP) indicates a deviation from gaussianity. We assume that such deviations may be described by the nonextensive statistics, because it reduces to the Gaussian distribution in the limit of the free parameter q = 1, thereby allowing a direct comparison with the standard theory. We study its application for a galaxy cluster catalog based on the ROSAT All-Sky Survey (hereafter HIFLUGCS). We conclude that the standard Gaussian model applied to HIFLUGCS does not agree with the most recent data independently obtained by WMAP. Using the nonextensive statistics, we obtain values much more aligned with WMAP results. We also demonstrate that the Burr distribution corrects the normalization problem. The cluster mass function formalism was also investigated in the presence of the dark energy. In this case, constraints over several cosmic parameters was also obtained. The nonextensive statistics was implemented yet in 2 distinct problems: (i) the plasma probe and (ii) in the Bremsstrahlung radiation description (the primary radiation from X-ray clusters); a problem of considerable interest in astrophysics. In another line of development, by using supernova data and the gas mass fraction from galaxy clusters, we discuss a redshift variation of the equation of state parameter, by considering two distinct expansions. An interesting aspect of this work is that the results do not need a prior in the mass parameter, as usually occurs in analyzes involving only supernovae data.Finally, we obtain a new estimate of the Hubble parameter, through a joint analysis involving the Sunyaev-Zeldovich effect (SZE), the X-ray data from galaxy clusters and the baryon acoustic oscillations. We show that the degeneracy of the observational data with respect to the mass parameter is broken when the signature of the baryon acoustic oscillations as given by the Sloan Digital Sky Survey (SDSS) catalog is considered. Our analysis, based on the SZE/X-ray data for a sample of 25 galaxy clusters with triaxial morphology, yields a Hubble parameter in good agreement with the independent studies, provided by the Hubble Space Telescope project and the recent estimates of the WMAP
metadata.dc.description.resumo: As recentes observações astronômicas indicam que o universo tem curvatura espacial nula, expande aceleradamente e seu conteúdo de matéria-energia é composto por cerca de 30% de matéria (bárions + matéria escura) e 70% de energia escura, uma componente relativística com pressão negativa. No entanto, para construir modelos ainda mais realísticos do universo, é necessário considerar a evolução de pequenas perturbações de densidade sob ação da gravidade, a fim de explicar a riqueza de estruturas observadas na escala de galáxias e aglomerados de galáxias. O processo de formação de estruturas foi pioneiramente descrito por Press e Schechter (PS) em 1974, através da função de massa dos aglomerados de galáxias. O formalismo PS pressupõe uma distribuição gaussiana para o campo primordial das perturbações de densidade. Além de um sério problema de normalização, tal abordagem não explica os atuais dados de raios-X dos aglomerados, e está em desacordo com as modernas simulações computacionais. Nesta tese, discutimos diversas aplicações da q-estatística não extensiva (não gaussiana) proposta em 1988 por C. Tsallis, com especial ênfase para o processo cosmológico de formação das grandes estruturas. Inicialmente, investigamos a estatística do campo de flutuações dos contrastes de densidade primordiais, já que os dados mais recentes do Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP) indicam um desvio da gaussianidade. Assumimos que tais desvios podem ser descritos pela estatística não extensiva, pois ela se reduz à distribuição gaussiana, no limite do parâmetro livre q = 1, o que permite uma comparação direta com a teoria padrão. Estudamos sua aplicação para um catálogo de aglomerados galáticos baseado no ROSAT All-Sky Survey (doravante nomeado como HIFLUGCS). Concluimos que o modelo gaussiano padrão aplicado ao HIFLUGCS não corrobora os dados mais recentes obtidos de forma independente pelo WMAP. Utilizando a estatística não extensiva obtemos valores bem mais compatíveis com os resultados do WMAP. Demonstramos também que a distribuição de Burr corrige o problema da normalização. O formalismo da função de massa dos aglomerados foi também investigado na presença da energia escura. Neste caso, limites sobre os mais diversos parâmetros cósmicos foram também obtidos. A estatística não extensiva foi ainda implementada em 2 problemas distintos: (i) a sonda de plasma e (ii) na descrição da radiação de Bremsstrahlung (a radiação primária dos aglomerados de raio-X); um problema de considerável interesse astrofísico. Numa outra linha de desenvolvimento, utilizando dados de supernovas e fração de massa do gás em aglomerados, discutimos a variação do parâmetro da equação de estado da energia escura, considerando 2 expansões distintas. Um aspecto interessante desse trabalho é que os resultados não necessitam de um prior no parâmetro de massa, como ocorre usualmente nas análises envolvendo apenas os dados de supernovas. Finalmente, fazemos uma nova estimativa do parâmetro de Hubble, através de uma análise conjunta envolvendo o efeito Sunyaev-Zeldovich (SZE), o espectro de raios-X de aglomerados e as oscilações acústicas dos bárions. Mostramos que a degenerescência dos dados observacionais em relação a é quebrada quando incluimos a assinatura das oscilações acústicas dos bárions, dada pelo catálogo do Sloan Digital Sky Survey (SDSS). Nossa análise, baseada nos dados de SZE/raios-X para uma amostra de 25 aglomerados com morfologia triaxial, deriva um parâmetro de Hubble em bom acordo com estudos independentes do projeto Hubble Space Telescope e as recentes estimativas do WMAP
URI: http://repositorio.ufrn.br:8080/jspui/handle/123456789/16653
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