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Título: General relativity and modified gravity in galaxies and the Solar System
Título(s) alternativo(s): Relatividade geral e gravidade modificada em galáxias e no Sistema Solar
Autor(es): Almeida, Álefe de Oliveira Freire de
Orientador: Rodrigues, Davi Cabral
Palavras-chave: Dark matter
Galaxies
General relativity
Rotation curves
Modified gravity
Matéria escura
Data do documento: 22-Mai-2019
Editor: Universidade Federal do Espírito Santo
Citação: ALMEIDA, Álefe de Oliveira Freire de.General relativity and modified gravity in galaxies and the Solar System. 2019. 123 f. Tese (Doutorado em Física) – Universidade Federal do Espírito Santo, Centro de Ciências Exatas, Vitória, 2019.
Resumo: A relatividade geral tem um grande sucesso na descrição da dinâmica do Sistema Solar e também na descrição das ondas gravitacionais. Porém, seus limites são evidentes no estudo de grandes escalas e em níveis quânticos. Neste último cenário sabe-se que a relatividade geral não é perturbativamente renormalizável, assim propostas como renormalização funcional têm sido aplicadas a fim de solucionar este problema. Porém, o uso de tais mecanismos dão origem a extensôes de relatividade geral que podem gerar assinaturas do meio quântico em escalas maiores. Nessa tese estudamos uma particular extensão de relatividade geral oriunda da aplicação de grupos de renormalização funcional e testamos se tais assinaturas estão presentes em escalas a nível do Sistema Solar. Além disso, têm-se um razoável entendimento de que relatividade geral não explica o comportamento das curvas de rotação sem a hipótese de uma matéria escura. O fato de que galáxias possuem velocidades de rotação muito baixas em relação a velocidade da luz e um campo gravitacional fraco e que nesse limites relatividade geral é simplesmente gravitação Newtoniana, sugerem que correções de relatividade geral são ineficientes para efeitos de matéria escura. Estudamos nesta tese alternativas a interpretação descrita acima e propusemos um modelo que as teste de maneira própria. Além disso, estudamos a viabilidade de um cenário de coexistência entre matéria escura e gravidade modificada assumindo que a quinta força advinda da modificação da gravidade se acopla diferentemente aos bárions e à matéria escura. Nós investigamos a possibilidade de que curvas de rotação de galáxia podem ser explicadas no contexto de gravidade modificada que introduzem um termo de Yukawa no potencial gravitacional.Nosso obketivo é restringir os parâmetos de gravidade modificada β e λ, que são, respectivamente, a força e o alcance da quinta força de Yukawa. Incluímos em nossa análise o gás, disco estelar, bojo juntamente com um halo de matéria escura do tipo Navarro-Frenk e White (NFW). Cada curva de rotação é modelada com três parâmetros livres além dos de Yukawa que são globais. A preferência dos dados observacionais em favor ou contra essa nova parametrização é estudada via inferência Bayesiana. A evidência Bayesiana em favor de um perfil de NFW mais Yukawa é maior do que 8σ com respeito à parametrização de galáxias tradicional.
General relativity has a great success in describing the dynamics of the Solar System and also in the description of gravitational waves. However, its limits are evident in the study of large scales and quantum levels. In this latter scenario it is known that general relativity is not perturbatively renormalizable, hence proposed approaches as functional renormalization have been applied in order to solve this problem. However, the use of such mechanisms gives rise to extensions of general relativity that can generate signatures of the quantum medium at larger scales. In this thesis we study a particular extension of general relativity from renormalization group and we test if such signatures are present at scales at the level of the Solar System. In addition, there is a reasonable understanding that general relativity does not explain the behavior of rotation curves without the hypothesis of a dark matter. The fact that galaxies have very low rotation velocities in relation to the speed of light and a weak gravitational field and that, in this regime, general relativity is simply Newtonian gravity, it suggests that general relativity corrections are inefficient for dark matter effects. We study in this thesis alternatives to the interpretation described above and we propose a model that tests them in their own way. In addition, we study the feasibility of a scenario of coexistence between dark matter and modified gravity assuming that the fifth force from the gravity modification is coupled differently to baryons and dark matter. We investigate the possibility that the galaxy rotation curves can be explained in the framework of modified gravity models that introduce a Yukawa term in the gravitational potential. We aim at constraining the modified gravity parameters β and λ, that is, the strength and the range of the Yukawa fifth force. We include baryonic gas, disk and bulge components, along with a Navarro-Frenk and White (NFW) halo of dark matter. Each galaxy rotation curve is modeled with three free parameters, beside the two global Yukawa parameter. The preference of the observational data in favor or against this new parameterization is studied through Bayesian inference. The Bayesian evidence in favor of a NFW profile plus Yukawa term is higher than 8σ with respect to the standard gravity parametrization.
URI: http://repositorio.ufes.br/handle/10/11177
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