Teoria e aplicações do gás relativístico reduzido na cosmologia
The Reduced Relativistic Gas (RRG) is a simplified version of the ideal relativistic gas, where it is assumed that all particles have the same momentum magnitude. Although this is a very idealized situation, the resulting model preserves the phenomenology of the Maxwell-Boltzmann distribution and...
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Outros Autores: | |
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Universidade Federal do Rio Grande do Norte
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Gás relativístico Perturbações cosmológicas Matéria escura morna CNPQ::CIENCIAS EXATAS E DA TERRA::FISICA Silva Neto, Gival Pordeus da Teoria e aplicações do gás relativístico reduzido na cosmologia |
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The Reduced Relativistic Gas (RRG) is a simplified version of the ideal relativistic
gas, where it is assumed that all particles have the same momentum magnitude. Although
this is a very idealized situation, the resulting model preserves the phenomenology of the
Maxwell-Boltzmann distribution and, in some situations, can be described as a perfect fluid,
without introducing large errors. The perfect fluid description of RRG model was already
used to study the warmness of dark matter, massive neutrinos and interaction of baryons and
photons before recombination, showing very good agreement with previous works based on
the full Einstein-Boltzmann system of equations. In order to understand these results and
construct a more general and formal framework for RRG, we develop a theoretical description
of first-order cosmological perturbations of RRG, based on a distribution function which
encodes the simplifying assumption that all particles have the same momentum magnitude.
From this function, we derive the full set of Einstein-Boltzmann equations for RRG and study
quantities beyond the perfect fluid approximation. We derive an analytical expression that
relates the parameter of warmness to the mass of the particle and we also explicitly verify
that the non-relativistic and ultra-relativistic limits are recovered. Furthermore, using RRG to
describe warm dark matter (WDM), we show that for particles with m ∼ keV, the perfect fluid
approximation is valid on scales with k < 10 h/Mpc, for most of the universe evolution. We
also determined the initial conditions for RRG in the early universe and studied the evolution
of the potential in a toy model composed only by RRG. Finally, we study in a semi-analytical
way the sub-horizon evolution of the density contrast of the WDM in a model with WDM,
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ri-123456789-296902020-07-26T07:52:10Z Teoria e aplicações do gás relativístico reduzido na cosmologia Silva Neto, Gival Pordeus da Medeiros, Leo Gouvea Batista, Ronaldo Carlotto Brito, Francisco de Assis de Casarini, Luciano Silva Júnior, Raimundo Holanda, Rodrigo Fernandes Lira de Gás relativístico Perturbações cosmológicas Matéria escura morna CNPQ::CIENCIAS EXATAS E DA TERRA::FISICA The Reduced Relativistic Gas (RRG) is a simplified version of the ideal relativistic gas, where it is assumed that all particles have the same momentum magnitude. Although this is a very idealized situation, the resulting model preserves the phenomenology of the Maxwell-Boltzmann distribution and, in some situations, can be described as a perfect fluid, without introducing large errors. The perfect fluid description of RRG model was already used to study the warmness of dark matter, massive neutrinos and interaction of baryons and photons before recombination, showing very good agreement with previous works based on the full Einstein-Boltzmann system of equations. In order to understand these results and construct a more general and formal framework for RRG, we develop a theoretical description of first-order cosmological perturbations of RRG, based on a distribution function which encodes the simplifying assumption that all particles have the same momentum magnitude. From this function, we derive the full set of Einstein-Boltzmann equations for RRG and study quantities beyond the perfect fluid approximation. We derive an analytical expression that relates the parameter of warmness to the mass of the particle and we also explicitly verify that the non-relativistic and ultra-relativistic limits are recovered. Furthermore, using RRG to describe warm dark matter (WDM), we show that for particles with m ∼ keV, the perfect fluid approximation is valid on scales with k < 10 h/Mpc, for most of the universe evolution. We also determined the initial conditions for RRG in the early universe and studied the evolution of the potential in a toy model composed only by RRG. Finally, we study in a semi-analytical way the sub-horizon evolution of the density contrast of the WDM in a model with WDM, radiation, and Λ, where the WDM is described by the RRG. Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico - CNPq Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior - CAPES O Gás Relativístico Reduzido (RRG) é uma versão simplificada do gás relativístico ideal, onde se supõe que todas as partículas tenham o mesmo módulo de momento. Embora esta seja uma situação muito idealizada, o modelo resultante preserva a fenomenologia da distribuição de Maxwell-Boltzmann e, em algumas situações, pode ser descrito como um fluido perfeito, sem introduzir grandes erros. A descrição via fluido perfeito do modelo RRG já era usada para estudar o movimento térmico da matéria escura, neutrinos massivo e interação de bárions e fótons antes da recombinação, mostrando-se em boa concordância com trabalhos anteriores baseados no sistema completo de equações de Einstein-Boltzmann. Para entender esses resultados e construir uma estrutura mais geral e formal para o RRG, desenvolvemos uma descrição teórica de perturbações cosmológicas de primeira ordem para o mesmo, baseada em uma função de distribuição que codifica a suposição simplificadora de que todas as partículas possuem o mesmo módulo de momento. A partir dessa função derivamos o conjunto completo de equações de Einstein-Boltzmann para o RRG e estudamos quantidades além da aproximação de fluido perfeito. Derivamos uma expressão analítica que relaciona o parâmetro de movimento térmico à massa da partícula e também verificamos explicitamente que os limites não-relativísticos e ultra-relativísticos são recuperados. Além disso, usando o RRG para descrever matéria escura morna (WDM), mostramos que para partículas com m ∼ keV, a aproximação de fluido perfeito é válida em escalas com k . 10 h/Mpc durante a maior parte da evolução do universo. Nós também determinamos as condições iniciais para RRG no universo primordial e estudamos a evolução do potencial em um modelo de brinquedo composto apenas por RRG. Por fim, estudamos de forma semianalítica a evolução sub-horizonte do contraste de densidade da WDM em um modelo com WDM, radiação e Λ, onde a WDM é descrita pelo RRG. 2020-07-20T23:22:25Z 2020-07-20T23:22:25Z 2020-03-06 doctoralThesis SILVA NETO, Gival Pordeus da. Teoria e aplicações do gás relativístico reduzido na cosmologia. 2020. 170f. Tese (Doutorado em Física) - Centro de Ciências Exatas e da Terra, Universidade Federal do Rio Grande do Norte, Natal, 2020. https://repositorio.ufrn.br/jspui/handle/123456789/29690 pt_BR Acesso Aberto application/pdf Universidade Federal do Rio Grande do Norte Brasil UFRN PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM FÍSICA |