A teoria padrão para a descrição da interação gravitacional é a Relatividade Geral (RG). Ela prevê a manifestação do efeito gravitacional via a curvatura do espaço-tempo. Com a RG, descrevem-se objetos astrofísicos como estrelas de nêutrons, buracos negros, efeitos orbitais não explicados pela mecânica Newtoniana (como o desvio secular do perihélio de Mercúrio), deflexão de raios de luz (produzindo as lentes gravitacionais) e efeitos desvio para o vermelho da radiação na imediação de campos fortes (que afetam a calibração do sistema GPS, por exemplo). As ondas gravitacionais (OG) são outra previsão da RG, uma dramaticamente confirmada pela detecção das OG emitidas na coalescência de pares de buracos negros e de estrelas de nêutrons pela colaboração LIGO-VIRGO. A RG também oferece um modelo para a dinâmica do universo em larga escala, a Cosmologia. Esta é capaz de explicar a radiação cósmica de fundo em microondas, a origem e abundância dos elementos leves e estrutura do universo em larga escala.

Em que pese todo o seu sucesso, a relatividade geral e cosmologia dela decorrente apresentam limitações. Notadamente, a RG prevê singularidades e é uma teoria de campos não-renormalizável. Por sua vez, o modelo cosmológico padrão é incapaz de oferecer uma causa do Big Bang (sem o complemento da hipótese inflacionária) ou de elucidar a natureza do setor escuro do universo.

Nesta linha de pesquisa, contribuímos com o estudo da interação da gravitação e de suas consequências cosmológicas sob vários aspectos. Exemplos são:

1. A descrição da gravitação como teoria de calibre de primeira e de segunda ordem para grupos de simetria de Lorentz e Poincaré (este assunto é um ponto de conexão com a linha de pesquisa “Teoria de Campos e de Teorias de Calibre”);
2. A extensão da RG para teorias escalares-tensoriais, que incluem novos campos ao lado do tensor métrico para a descrição da gravitação;
3. A extensão da RG com a inclusão de termos de derivadas superiores nos invariantes de curvatura;
4. A física de buracos negros (estrutura causal, geodésicas, termodinâmica, sombras) no contexto de modelos de gravidade modificada e/ou de eletrodinâmicas generalizadas (no caso de buracos negros carregados);
5. A descrição das ondas gravitacionais emitidas sistemas binários coalescentes no contexto de modelos de gravidade modificada;
6. Estudo da inflação cosmológica no contexto de modelos de gravitação estendida, seus aspectos formais (como equivalência de frames, etc.) e seus vínculos observacionais (usando dados do satélite Planck);
7. O estudo do universo atual com modelos de gravidade modificada (e.g. envolvendo derivadas superiores ou acoplamentos físicos variáveis) e de matéria modificada (e.g. modelo unificado de matéria escura e energia escura).