Probing the foundations of the standerd cosmological model

Resumo

Numerosas observaciones cosmológicas apuntan a que el universo está experimentando una época de expansión acelerada. La interpretación de estos datos se han realizado dentro de un paradigma estándard, en el que la gravedad está descrita por la teoría de la Relatividad General, el universo es espacialmente homogeneo e isótropo a grandes escalas y la aceleración es causada por una Constante Cosmológica. En esta Tesis se estudian alternativas a la constante cosmológica que desafían alguna de estas hipótesis, para validar los fundamentos del Modelo Cosmológico Estándar y acotar posibles desviaciones de las suposiciones fundamentales. Los resultados incluyen el estudio de modelos sin Constante Cosmológica basados en desviaciones de la homogeneidad, parametrizaciones de las ecuaciones cosmológicas y extensiones de la teoría de la Relatividad General. La posibilidad más sencilla en términos de nueva física consiste en Modelos inhomogeneos no Copernicanos. Esta posibilidad se estudia mediante modelos LTB adiabáticos con un perfil de tipo GBH, los cuales no son compatibles simultaneamente con observaciones geométricas de supernovas y la escala de oscilaciones acusticas (BAO). Al igual que en el modelo estándar, la escala de BAO evoluciona localmente con el factor de escala, pero en estos modelos se produce una diferencia entre su valor en la dirección radial y angular, así como una dependencia con el radio. Este último efecto hace que la misma inhomogeneidad que permite emular la aceleración, estire de manera diferente la escala de BAO en diferentes puntos, haciendola más grande cerca de nuestra galaxia que a distancias mayores. Los nuevos datos a alto deplazamiento al rojo permiten explorar ambos regímenes y hacen incompatibles ambos observables. El hecho de que la aceleración del universo suceda en escalas en las que no existe una validación independiente de la teoría de la Relatividad General sugiere una revisión en profundidad de sus fundamentos. Una posibilidad de extender la teoría de Einstein es mediante la aplicación de una transformación disforme en algún sector de la acción, dada por los gradientes de un campo escalar. Estas transformaciones permiten construir modelos de energía oscura en los que el campo escalar actua como una Constante Cosmológica efectiva, tanto en el caso de la auto-interacción del propio campo como en el caso de un acoplo con la materia oscura. El campo de quintaesencia disforme produce únicamente efectos indirectos en la formación de estructura. Sin embargo, el modelo de materia disformemente acoplada experimenta una fuerza adicional mediada por el campo escalar. Aunque es capaz de reproducir la expansión cosmológica en el límite homogeneo, esta fuerza produce efectos importantes en la formación de estructura a gran escala, tornandola incompatible con las observaciones. Las transformaciones disformes también permiten relacionar entre si teorías aparentemente disconexas. Asi, se puede mostrar que una teoría con una acción gravitacional estándar pero materia disformemente acoplada es equivalente a un tipo de DBI Galileon. Este tipo de Lagrangianos con auto-interacciones no lineales en derivadas son capaces de producir el ``effecto de Vainshtein'', que alisa los gradientes del campo escalar cerca de objetos masivos, ocultando la interacción adicional. Las teorías disformemente acopladas también son capaces de evitar los efectos de la fuerza adicional en entrornos no-relativistas con una densidad de energía elevada, tales como el Sistema Solar. Este ``mecanismo de camuflaje disforme'' hace muy difícil detectar los efectos inducidos por el acoplo disforme mediante medidas de fenómenos gravitatorios, mientras que permite que éste tenga consecuencias considerables a nivel cosmológico. La equivalencia entre teorías disformemente acopladas y teorías con interacciones no lineales en derivadas sugiere que el mecanismo de camuflaje disforme y el efecto de Vainshtein son en realidad manifestaciones del mismo fenómeno. Esta equivalencia abre una nueva ventana para el analisis de este tipo de teórias. La comparación de modelos que desafían las suposiciones habituales con las observaciones permite validar los fundamentos del Modelo Cosmológico Estándar y explorar los límites de su validez. Este programa también permite la identificación de las hipótesis que se asumen implicitamente en las distintas etapas del analisis, y permite encontrar ejemplos en los que éstas no se cumplen, facilitando el diseño de estrategias que favorezcan una comparación entre teorías y datos más independiente y menos sesgada. Por último, el estudio de teorías alternativas a menudo aporta ejemplos que permiten entender mejor el paradigma convencional, enriqueciendo el conocimiento que se tiene sobre él y las tecnicas disponibles para su analisis. Estas consideraciones serán importantes en las próximas décadas, cuando el incremento en la cantidad y calidad de las observaciones cosmológicas valide de manera aún más sólida los fundamentos del Modelo Cosmológico Estándar o nos sorprenda con nuevos datos que indiquen la necesidad de revisarlo.