Primordial Black Hole cluster dynamics and Early Universe models

Resumen

En esta tesis hemos estudiado un modelo inflacionario particular de la dinámica Universo temprano, el Modelo de Higgs-Dilaton, una extensión viable del Modelo Estándar de la física de partículas, y que se basa únicamente en la invarianza de escala y en un acoplamiento no-mínimo a la Gravedad Unimodular, la cuál es una extensión de la Relatividad General. El modelo es capaz de producir un período de inflación del Universo temprano necesario para explicar el alto grado de homogeneidad de las anisotropías de temperatura en el fondo cósmico de microondas; y también puede explicar la era actual de expansión acelerada comúnmente atribuida a la energía oscura. También hemos estudiado en esta tesis la dinámica de los racimos de agujeros negros primordiales del universo tardío, que pueden surgir de hecho como resultado de algunos modelos de inflación donde la perturbación inicial de la curvatura crece por encima de un umbral tan alto como para producir sobredensidades suficientemente grandes que en la era de radiación pueden colapsar y original agujeros negros. Estos agujeros negros no surgen de procesos astrofísicos como la muerte de las estrellas y, por lo tanto, se denominan comúnmente agujeros negros primordiales. De existir, estos agujeros negros primordiales serían de enorme importancia y podrían constituir las semillas de las primeras galaxias, acelerar la formación de estructura a escala cosmológicas, y resolver una serie de problemas no resueltos en cosmología, además de, por último, poder explicar la naturaleza de la materia oscura, ya que éstos agujeros negros primordiales pueden ser un candidato ideal para ésta. De esta forma, hemos vinculado la dinámica del Universo temprano con la aquella del Universo tardío de una manera que conecta la era inflacionaria tanto con la era actual de expansión acelerada del Universo comúnmente atribuida a la energía oscura, como, con la abundancia de materia oscura observada en la actualidad en una gran variedad de sondas cosmológicas; desde estudios de estructuras a gran escala hasta la radiación del fondo cósmico de microondas. Nótese también que las respuestas a estos problemas –tanto los problemas de la materia oscura como los de la energía oscura– son preguntas en el campo de la cosmología cuya respuesta ha eludido a los científicos durante décadas, y cuyo estudio sigue siendo hasta el día de hoy uno de los los campos más activos de investigación en toda la física. A contunuación se describen los resultados de nuestra investigación tanto en lo respectivo al Modelo deHiggs-Dilaton como a los agujeros negros primordiales. En el primer caso, hemos comparado el Modelo de Higgs-Dilaton con el modelo de la constante cosmológica (ΛCDM) y el modelo de energía oscura en evolución x (w0waCDM), utilizando sondas cosmológicas que incluyen entre ellas, el fondo cósmico de microondas, anisotropías de temperatura, polarización y medidas de lente gravitacional del satélite Planck, los experimentos AdvLIGO y Keck Array, las supernovas de tipo Ia del catálogo JLA, y las oscilaciones acústicas bariónicas, mediante la implementación de las restricciones del modelo en COSMOMC, un código de Cadenas de Markov-Monte Carlo. Cabe destacar que los vínculos entre los observables ns y αs, relacionados con la inflación, y w0 DE y waD E, relacionados con la energía oscura, son predicciones muy específicas del modelo que relacionan dos épocas aparentemente independientes, estableciendo una relación medible entre observables de anisotropías de fondo de microondas cósmicas con un sector de energía oscura en gran parte desconocido. Los resultados de nuestra investigación son los siguientes: Hemos descubierto que los valores de todos los parámetros cosmológicos permitidos por el Modelo de Higgs-Dilaton están dentro de las restricciones de w0waCDM. En particular, encontramos que w0D E = −1.0001+0.0072 −0.0074, waD E = 0.00+0.15 −0.16, ns = 0.9693+0.0083 −0.0082, αs = −0.001+0.013 −0.014 y r0.05 = 0.0025+0.0017 −0.0016 (95.5 % CL). También colocamos nuevas restricciones estrictas en los 5.acoplamientos del Modelo de Higgs-Dilaton a la gravedad y encontramos que ξχ < 0.00328 y ξh/√λ = 59200+30000 −20000 (95.5 % CL). Todas estas son predicciones muy relevantes del modelo VIRGO que pronto pueden ser confrontadas con datos de observación por DES, PAU y Euclid. Además, encontramos que elModelo deHiggs-Dilaton se encuentra en una posición ligeramente mejor que el modelo w0waCDM, ya que ambos tienen prácticamente el mismo chi-cuadrado, es decir, Δχ2 = χ2 w0waCDM − χ2 HDM = 0.18, pero con el Modelo Higgs-Dilaton teniendo dos parámetros menos, y finalmente una evidencia bayesiana que favorece igualmente a los dos modelos pero siendo el Higgs-Dilaton Model el preferido por los criterios de información AIC y DIC. También hemos descubierto que los agujeros negros primordiales pueden constituir un candidato viable a materia oscura, y cuya agrupación en cúmulos ofrece una rica fenomenología. Hemos cuantificado la estabilidad y la tasa de evaporación de los cúmulos de agujeros negros primordiales, obtenido el número de agujeros negros primordiales que permanecen el cúmulo y los que son expulsados de éste al fondo de eyectados, así como también la fracción de estos que aparecen en forma de sistemas múltiples o se fusionan entre sí, y sus historiales fusiones y jeraquía dentro de la matriz del cúmulo. Además, hemos probado que estos cúmulos de agujeros negros primordiales son de hecho estables y sobreviven hasta el presente conservando alrededor de un tercio de su masa inicial total, mientras que los otros dos tercios restantes son transferidos al espacio entre cúmulos, proporcionando una distribución espacial más o menos uniforme de agujeros negros primordiales libres. Hemos observado también que los agujeros negros primordiales en los núcleos de los cúmulos una gran variedad de masas. En particular, encontramos que la expansión y la evaporación de los cúmulos conducen a subhalos de agujeros negros primordiales de O(1) kpc dentro de éstos, conteniendo en la actualidad alrededor del 36 % de los objetos y la masa originales, con núcleos aproximadamente de O(100) pc. También encontramos que estos subhalos de agujeros negros primordiales se ubican dentro de halosmayores de agujeros negros primordiales, que alcanzam distancias mucho mayores, de O(100) kpc, y que contienen aproximadamente el 63 % de los objetos y lamasa, coincidiendo con los tamaños de halos galácticos. También hemos extraído los perfiles de masa de y el espectro de masas de pares de agujeros negros primordiales en sistemas binarios o fusionados, tanto para los xi agujeros negros del los cúmulos como para aquellos eyectados al fondo. En particular, encontramos que los sistemas binarios aparecen con frecuencia, constituyendo alrededor del 9.5 % de todos los agujeros negros primordiales en la actualidad, con ratios de masa media y mediana de ¯ qB = 0.154 y ˜ qB = 0.0552, y masas totales de m¯ T,B = 303M⊙ y m˜ T,B = 183M⊙, hallando además que los sistemas binarios más masivos tienden a auto-segregarse hacia el cúmulo, mientras que el en fondo de eyectados los agujeros negros tienden a ser menos masivos y con un ratio de masas más acusado. Alternativamente, encontramos que las fusiones son muy poco frecuentes, con apenas el 0.0023 % de todos los agujeros negros primordiales fusionados en la actualidad, con ratios de masa media y mediana de ¯ qM = 0.965 y ˜ qM = 0.545. Las masas totales de fusión encontradas son muy elevadas, m¯ T,M = 1670M⊙ y m˜ T,M = 1510M⊙, mientras que las masas de chirrido encontradas son m¯ c,M = 642M⊙ y m˜ c,M = 567M⊙. Además, encontramos que los agujeros negros primordiales resultantes de las fusionesmásmasivas tienden a segregarse a los núcleos de los cúmulos, y que los agujeros negros primordiales fusionados que escapan a la eyección son a menudo menos masivos y, como en el caso de los sistemas binarios, con un ratio de masa más sesgados. Hemos analizado las interacciones de estos agujeros negros primordiales con sus vecinos y extraído los límites inferiores de la frecuencia de encuentros hiperbólicos y las tasas de eventos de fusión producidas. Sin embargo, las simulaciones tienen una serie de limitaciones que dificultan la comparación adecuada con las observaciones, en particular para las tasas de encuentro hiperbólico. En cuanto a las tasas de eventos de fusión, hemos encontrado tasas de agujeros negrosmasivosmás allá del rango de sensibilidad de las observaciones de LIGO-VIRGO. Concretamente, hallamos que las tasas de encuentros cercano son de ΓS = (1.2+5.9 −0.9) × 107 yr−1Gpc−3 y las tasas de fusión son de ΓM = 1337±41 yr−1Gpc−3. Estos valores son hasta ahora compatibles con las observaciones, y podrían ser probados por futuros observatorios espaciales como LISA. También hemos calculado las distribuciones espaciales de los parámetros dinámicos tanto del cúmulo y como del fondo eyectado, y descubrimos que los perfiles de masa, posición, velocidad y densidad son consistentes con los de un componente de materia oscura fría. Curiosamente, en la actualidad, los cúmulos se superponen lo suficiente como para que sus capas exteriores estén en contacto entre símientras conservan sus núcleos separados, con radios efectivos comparables a los de las galaxias enanas y los cúmulos globulares. También es interesante el hecho de que el fondo de eyección una vez que se fusionan las diferentes burbujas de agujeros negros primordiales eyectados tiene radios comparables a los halos galácticos de tamañomediano. Además, hemos estudiado el grado de segregación de la masa de los cúmulos y la fricción dinámica, y hemos descubierto que no es un efecto de gran importancia. Finalmente, hemos determinado las distribuciones en espacio de parámetros de las magnitudes orbitales del cúmulo y el fondo eyectado y hemos estudiamos su evolución. Hemos encontrado que los perfiles tanto para la excentricidad orbital como para el eje semi-mayor son compatibles con las observaciones actuales. También hemos comprobado que existe una gran cantidad de sistemas binarios transitorios dentro del cúmulo, desechos por encuentros con otros agujeros negros primordiales en sucesivas interacciones dentro de éste, y así como multitud de sistemas binarios estables en el fondo de agujeros negros primordiales eyectados, que podrían ser responsables de los eventos detectados por LIGO. Por último, hemos calculado el espectro de potencia de posibles encuentros hiperbólicos entre pares de agujeros negros primordiales cercanos dentro de los cúmulos. xii En general, hemos encontrado que los agujeros negros primordiales distribuidos de manera no homogénea en cúmulos son un buen candidato para ser materia oscura fría, ya que estos son casi acolisionales dada su bajísima sección eficaz, y son consistentes con las observaciones astrofísicas de la distribución de la materia oscura, además de replicar las características que un buen candidato a materia oscura debe mantener, a lo largo de toda la historia del Universo a partir del comienzo de la era de la materia. Sigue siendo una pregunta abierta cómo extrapolar estos resultados a un conjunto más general de condiciones iniciales en las que la masa, la posición y la distribución de velocidad de los agujeros negros primordiales pueden ser diferentes a nuestro estudio y el cúmulo de agujeros negros primordiales sea inicialmente más concentrado. Dejamos este estudio de un conjunto más variado de cúmulos de agujeros negros primordiales para trabajos futuros.