Cosmological and astrophysical signatures of alternative dark sector models

Resumen

Uno de los hallazgos más sorprendentes de la cosmología moderna es la existencia de un sector oscuro. El sector oscuro en cosmología aglutina todos los componentes que no pertencen al Modelo Estándar de física de partículas y cuya presencia sólo es detectable por sus efectos gravitatorios. El modelo estándar de la cosmología, el modelo LCDM, asume que el sector oscuro se compone de una constante cosmológica y materia oscura fría. Este modelo ajusta exitosamente un gran número de observaciones a diferentes escalas. Adolece no obstante de una falta de motivación teórica y, además, aunque el acuerdo con las observaciones es en general excelente, con los años han surgido diversas tensiones que podrían señalar las limitaciones del modelo. Estos motivos nos han llevado en esta tesis a estudiar diferentes alternativas al sector oscuro estándar LCDM. Para modificar el sector oscuro, hemos explorado cada uno de los tres caminos posibles: Añadir nuevas especies. Dado que el sector oscuro estándar LCDM ya es un fluido compuesto, parece natural extender el modelo añadiendo más fluidos. En esta tesis hemos analizado las consecuencias observacionales de la existencia de una nueva partícula de espín 2 con masa: un gravitón oculto. En primer lugar, hemos utilizado tests de quintas fuerzas para restringir una parte del espacio de parámetros. Una vez hecho esto, hemos estudiado el ritmo de producción de estas nuevas partículas en estrellas. Usando observaciones astrofísicas, ha sido posible restringir aún más la masa y constante de acoplo de los gravitones ocultos. Cambiar los paradigmas más simples. La constante cosmológica y la materia oscura fría son los ejemplos más sencillos de modelos más generales de energía y materia oscura, respectivamente. En esta tesis, hemos analizado un modelo de materia oscura alternativo: materia oscura fuzzy repulsiva. La materia oscura fuzzy se describe mediante un campo escalar ultraligero, que puede reproducir el comportamiento de la materia oscura fría a escalas cosmológicas pero que muestra características distintivas en escalas sub-galácticas. En particular, hemos considerado las implicaciones de una interacción adicional (repulsiva) en un modelo de materia oscura fuzzy. Tras estudiar su fenomenología, hemos encontrado cotas sobre los parámetros principales del modelo (la masa y la intensidad de la interacción repulsiva) comparando con datos observacionales del fondo de microondas y estructura a gran escala. Modificar suposiciones fundamentales. Una importante hipótesis del modelo LCDM, que normalmente pasa desapercibida, es que las velocidades globales de los fluidos (flujos cosmológicos) son despreciables. En esta tesis, hemos estudiado en detalle los efectos de estos flujos cosmológicos sobre la evolución del Universo. Hemos estudiado primero la evolución de un universo sin perturbaciones, demostrando que la existencia de flujos cosmológicos con una amplitud considerable es compatible con las nociones usuales de homogeneidad e isotropía del Universo observable. Tras este análisis, hemos incluido las perturbaciones, reelaborando la teoría de perturbaciones cosmológicas y examinando críticamente muchas de sus suposiciones implícitas. Entre los efectos observables, hemos encontrado violaciones de la isotropía estadística que podrían llegar a ser detectadas en experimentos futuros. Uno de los resultados principales es que la existencia de movimientos a gran escala conduce a la producción de campos magnéticos cosmológicos. Los campos producidos en este escenario son lo bastante grandes para explicar la aparición de los campos magnéticos galácticos observados, cuyo origen ha supuesto un interrogante en cosmología y astrofísica durante años.