The nature of dark energy: theory and observations

• Autores: Alicia Bueno Belloso
• Directores de la Tesis: Juan García-Bellido Capdevila (dir. tes.)
• Lectura: En la Universidad Autónoma de Madrid ( España ) en 2013
• Idioma: inglés
• Tribunal Calificador de la Tesis: John Peacock (presid.), Carlos Muñoz López (secret.), Francisco Javier Castander Serentill (voc.), Will J. Percival (voc.), Eusebio Sánchez Álvaro (voc.)
• Materias:
  • Astronomía y astrofísica
    • Cosmología y cosmogonía
• Enlaces
  • Tesis en acceso abierto en: Biblos-e Archivo
• Resumen

  • La cosmología es el estudio del universo y de sus componentes, de co¿mo se formo¿, co¿mo ha evolucionado y cua¿l es su futuro. Lo que entendemos hoy en di¿a como cosmologi¿a ha surgido de ideas que estaban ya presentes en la historia antigua cuando la humanidad intentaba responder a preguntas como ¿¿que¿ es lo que nos rodea?¿, que se desarrollaron en preguntas ma¿s amplias como ¿¿co¿mo funciona el universo?¿. E¿sta es la pregunta fundamental que la cosmologi¿a se pregunta y trata de contestar.

    Muchas de las primeras observaciones cienti¿ficas de las que tenemos constancia son sobre cosmologi¿a y la bu¿squeda de conocimiento en este campo ha continuado durante ma¿s de 5000 an¿os. La cosmologi¿a ha efectuado un salto monumental en los u¿ltimos 20 an¿os a trave¿s de nueva informacio¿n de la estructura, la evolucio¿n y el origen del universo, informacio¿n obtenida a trave¿s de recientes avances tecnolo¿gicos en telescopios y misiones espaciales. Se ha convertido en una ciencia en bu¿squeda de conocimiento no so¿lo sobre los constituyentes del universo, sino sobre su arquitectura global. La cosmologi¿a moderna se encuentra entre la ciencia y la filosofi¿a, cercana a la filosofi¿a porque busca respuestas a las preguntas fundamentales sobre el universo y cercana a la ciencia en su bu¿squeda de respues- tas a trave¿s de conocimiento empi¿rico de observaciones y explicaciones racionales. De este modo, las teori¿as cosmolo¿gicas operan con una tensio¿n entre la necesidad filoso¿fica de la simplicidad y el deseo de incluir todas las complejas caracteri¿sticas del universo.

    Sin embargo, cuando uno habla de cosmologi¿a moderna, se esta refiriendo a la ciencia que nacio¿ a inicios de los an¿os 20 para testar la teori¿a de la relatividad general de Einstein a gran escala. Cuando Einstein publico¿ sus famosas ecuaciones sobre relatividad general en 1916, crei¿a que el universo era un ente esta¿tico, pero descubrio¿ que la formulacio¿n original de su teori¿a no permiti¿a un universo tal. Para superar este ¿problema¿, descubrio¿ que podi¿a an¿adir una constante a sus ecuaciones que contrarrestaba la accio¿n atractiva de la gravedad en escalas co¿smicas, produciendo un universo esta¿tico. Su primer arti¿culo sobre cosmologi¿a en 1917 fue el primero en incluir la que posteriormente se conoceri¿a como constante cosmolo¿gica en su modelo: un universo esta¿tico en el cual el espacio no tiene fronteras pero sigue siendo finito. No seri¿a hasta 1929, cuando Edwin Hubble descubrio¿ que el universo se estaba expandiendo, cuando el modelo de Einstein de un universo esta¿tico fue abandonado y su constante cosmolo¿gica apodada como ¿el mayor error de su vida¿.

    La cosmologi¿a observacional dio otro gran salto con el descubrimiento de la radiacio¿n co¿smica de microondas en el an¿o 1964 por Arno Penzias y Robert Wilson, radiacio¿n cuya existencia ya habi¿a sido predicha en los an¿os 40. Este hallazgo permitio¿ abrir una ventana al universo primitivo, y continu¿a hacie¿ndolo a trave¿s de diversos experimentos. Dichos experimentos fueron los responsables de increi¿bles avances observacionales en cosmologi¿a y la catapultaron a ser una ciencia de precisio¿n.

    Con el descubrimiento de la aceleracio¿n co¿smica a finales de los an¿os 90 a trave¿s de observaciones de supernovas lejanas, la cosmologi¿a ha cerrado el ci¿rculo, retomando de nuevo la constante cosmolo¿gica propuesta por Einstein tantos an¿os atra¿s. Dicha acele-racio¿n aparece como una fuerza contraria a la gravedad que, por su cara¿cter atractivo, tiende a frenar paulatinamente la separacio¿n entre galaxias. La observacio¿n de esta aceleracio¿n ha sido, desde entonces, corroborada por numerosos experimentos cosmolo¿gicos pero, a di¿a de hoy, seguimos sin tener una teori¿a satisfactoria que explique el origen y la naturaleza de dicha aceleracio¿n.

    A pesar de que las u¿ltimas observaciones cosmolo¿gicas parecen favorecer lo que se conoce como el ¿modelo esta¿ndar de la cosmologi¿a¿: un universo con materia oscura fri¿a y una constante cosmolo¿gica, muchas nuevas teori¿as han surgido para explicar la aceleracio¿n del universo observada. Aparte del esfuerzo teo¿rico, las observaciones cosmolo¿gicas han avanzado y ahora contamos con experimentos presentes y futuros que no so¿lo se basan en observaciones de supernovas, sino que usan datos de formacio¿n de estructura o del fondo de radiacio¿n co¿smico de microondas. Sin embargo, de los muchos modelos, pocos han podido ser excluidos definitivamente y so¿lo se han precisado los diversos para¿metros de los que dependen.

    El objetivo de esta tesis consiste en el estudio de diversos modelos cosmolo¿gicos teo¿ricos que explican dicha aceleracio¿n (comu¿nmente conocida como energi¿a oscura) y su comparacio¿n con observaciones. Para ello, se deben clasificar los distintos modelos a trave¿s de observables medibles por los experimentos. De esta manera, podemos descartar o confirmar modelos o clases de modelos con observaciones presentes y futuras. Tambie¿n es importante investigar nuevos observables que nos puedan ayudar en el futuro a distinguir entre modelos y a caracterizar el origen y la naturaleza de esta elusiva componente de nuestro universo.

    Esta tesis ha querido afrontar el problema de la energi¿a oscura uniendo teori¿a y observaciones. Para ello, se han estudiado diversos modelos cosmolo¿gicos y sus parametrizaciones y co¿mo observaciones futuras podra¿n distinguir entre ellos. Tambie¿n se ha estudiado un nuevo me¿todo usando pares de galaxias aislados que puede ser utilizado para precisar modelos cosmolo¿gicos. Por u¿ltimo, se ha investigado la escala de homogeneidad del universo con vistas a medirla con experimentos con gran precisio¿n angular pero poca resolucio¿n radial.