Studying signatures of alternative cosmologies in the cosmic microwave background

• Main Author: Dennis Fernandes Alves Bessada
• Other Authors: Oswaldo Duarte Miranda
• Language: English
• Published: Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais 2010
• Online Access: http://urlib.net/sid.inpe.br/mtc-m19@80/2010/02.03.11.00

In the present thesis we study the signatures of four alternative cosmological models in the Cosmic Microwave Background: Massive Gravity, the Modified Fierz-Pauli model (MFP), DBI inflation and Tachyacoustic Cosmology. The first two models are studied as alternatives to the Friedmann-Robertson- Walker cosmology, and we showed that both models lead to the same results for tensor perturbations, whereas for vector modes the MFP model leads to non-decaying amplitudes, unlike Massive Gravity and General Relativity (GR), where such modes are washed out by the expansion of the universe. We calculated the vector and tensor contributions to the Sachs- Wolfe (SW) effect, and derived the corresponding Boltzmann equations, arguing qualitatively that vector modes in the MFP model would leave a distinct signature in CMB polarization. Also, we calculated the power spectrum for CMB anisotropies induced by the tensor modes in Massive Gravity, and showed that such massive modes would leave a clear signature for low multipoles, \textit l < 30. We derived new solutions for DBI inflation, and showed that they encompass \textit{all} the well-known inflationary potentials found in the canonical model. We also worked out a particular case, a non-canonical model with large-field potentials, and compared our predictions with the current available data, showing that our solutions in DBI are in good agreement with observations. A distinguishing feature of our solutions is the production of large amplitudes of non-gaussianity, which can be a powerful observable to discriminate among inflationary models. We also propose an alternative to inflation, the tachyacoustic model, in which we do obtain a nearly scale-invariant spectrum of primordial perturbations and solve the horizon problem in a \textit{decelerating} universe. These goals are achieved by a k-essence model with superluminal speed of sound, which is causally self-consistent. The tachyacoustic model does not solve entirely the flatness problem, but a work in progress is being conducted to tackle this issue. === Estudamos, na presente tese de doutoramento, assinaturas de quatro modelos cosmológicos alternativos na Radiação Cósmica de Fundo em Microondas (CMB), a saber: Gravitação Massiva, Modelo de Fierz-Pauli modificado (MFP), inflação DBI e cosmologia Taquiacústica. Os dois primeiros modelos foram estudados como alternativas à cosmologia usual, descrita pela métrica de Friedmann-Robertson- Walker, e demonstramos que ambos os modelos fornecem os mesmos resultados no tocante a perturbações tensoriais, ao passo que o modelo MFP produz amplitudes de modos vetoriais que não decaem com a expansão do universo, diferentemente da Gravitação Massiva e da Relatividade Geral, onde tais modos simplesmente desaparecem com a respectiva expansão. Calculamos as contribuições dos modos vetoriais e tensoriais para o efeito Sachs-Wolfe (SW), e derivamos as equações de Boltzmann correspondentes, argumentando qualitativamente que os modos vetoriais deixariam uma assinatura distinta na polarização da CMB. Também calculamos o espectro de potências de anisotropias da CMB induzido por modos tensoriais na Gravitação Massiva, e mostramos que tais modos massivos deixariam uma clara assinatura para baixos multipolos, ou seja, \textit l < 30. Derivamos novas soluções para a inflação DBI, e mostramos que as mesmas incluem \textit{todos} os bem-conhecidos potenciais encontrados na teoria de inflação canônica. Dentre as soluções encontradas, aprofundamos-nos numa em particular, que consiste em um modelo não-canônico com potencial do tipo \textit{"large-field"}, e comparamos nossas predições com os dados disponíveis, mostrando que nossas soluções no modelo DBI estão em pleno acordo com as observações. Uma característica distinta de nossas soluções se refere à produção de largas amplitudes de não-gaussianidade, que consiste em um observável eficiente para se testar e selecionar diferentes modelos inflacionários. Propomos, também, um modelo alternativo à inflação, que denominamos modelo \textit{taquiacústico}, o qual fornece um espectro quase invariante de escala para perturbações escalares e soluciona o problema do horizonte no contexto de um universo \textit{deflacionário}, ou seja, com expansão desacelerada. Tais resultados são obtidos por meio de um modelo de k-essência cuja velocidade de propagação de perturbações é superluminal, sem, no entanto, violar qualquer princípio de causalidade. O modelo taquiacústico não soluciona totalmente o problema da planura do universo, mas um trabalho em andamento visa remover este obstáculo.