Classical analogs to accelerated FRW cosmologies: a Lagrangian description

Nesta dissertação, uma revisão dos modelos cosmológicos newtonianos e neo-newtonianos baseados na formulação da hidrodinâmica clássica é apresentada, com especial ênfase para os resultados básicos e as limitações mais importantes dessas abordagens. Em seguida, mostramos que a descrição Lagrangiana clássica proposta por Lima, Moreira e Santos (1998) para fluidos simples, pode ser generalizada para incluir modelos com misturas de fluidos, e portanto, cosmologias mais realísticas contendo bárions, matéria escura e energia escura, bem como qualquer forma de interação entre essas componentes. Neste trabalho propomos uma descrição lagrangiana clássica para modelos relativísticos do tipo FRW. Nesta descrição, o comportamento dinâmico do fator de escala a(t), como previsto pelas cosmologias relativísticas, é substituído pelo movimento unidimensional de uma partícula teste de massa m sob a ação de um potencial clássico, V(x), onde x é a coordenada unidimensional da partícula. O tratamento pode ser aplicado para os mais diversos cenários de energia escura. Para exemplificar, discutimos com detalhe os seguintes modelos contendo matéria escura e energia escura: XCDM, X(z)CDM, Lambda CDM, Lambda(t) e gás de Chaplygin. Por completeza, modelos multidimensionais do tipo FRW também são considerados. Em todos esses modelos, o parâmetro de curvatura k das seções espaciais das cosmologias determina a energia total da partícula teste pela relação, E=-mk/2, tal como ocorre nos modelos de fluidos simples. As propriedades dinâmicas associadas com o presente estágio de aceleração do universo são univocamente descritas em termos da função potencial do sistema. Finalmente, utilizando os dados da distância de luminosidade provenientes das supernovas do tipo Ia, discutimos como o potencial unidimensional pode ser reconstruído a partir das observações.In this dissertation, a review of the Newtonian and neo-Newtonian cosmological models based on the classical hydrodynamics formulation is presented with special emphasis to the basic results and the main limitations of such approaches. Next, we show that the classical Lagrangian description as proposed by Lima, Moreira & Santos (1998) for simple fluids, can be generalized to include fluid mixtures, and, therefore, more realistic cosmologies containing baryons, dark matter and dark energy, as well as, any kind of interaction among such components. In the lagrangian description, the dynamic behavior of the scale factor a(t), as predicted by the relativistic cosmologies, is replaced by the unidimensional motion of a test particle with mass m under the action of a classical potential, V(x), where x(t) is the coordinate of the particle. The treatment can be applied for many different scenarios of dark energy. In order to exemplify, we discuss with detail the following models containing dark matter and dark energy: XCDM, X(z)CDM, Lambda(t)CDM and the Chaplygin gas. For completeness, FRW type multidimensional models are also considered. For all these models, the curvature parameter k of the spatial sections in the relativistic cosmologies determines the total energy by the relation, E=-mk/2, as occurs in the simple fluid models. The dynamic property associated with the present accelerating stage of the Universe are univocally described in terms of the potential function of the system. Finally, by using the data from luminosity distance of supernovae type Ia, we discuss how the unidimensional potential can be reconstructed from the observations