Resumen de Shedding light on dark matter through 21 cm cosmology and reionization constraints
Durante las últimas décadas, nuestra comprensión del universo ha alcanzado un nivel remarcable, pudiendo probar predicciones cosmológicas con una precisión asombrosa. Las observaciones de los fotones del Fondo Cósmico de Microondas, junto con los estudios de catálogos galaxias, nos proporcionan una comprensión profunda de la geometría, los componentes y la cronología del cosmos. No obstante, la naturaleza de la Materia Oscura aún se desconoce. La composición, masa e interacciones de las partículas de Materia Oscura presentan uno de los enigmas más intrigantes de la cosmología actual. En esta tesis doctoral se estudian diferentes candidatos a Materia Oscura que pueden dejar un impacto en el proceso de formación de estructuras y en la evolución del Medio Intergaláctico. El análisis del estado de ionización del Medio Intergaláctico, su impacto en el Fondo Cósmico de Microondas y la señal cosmológica corrida al rojo de 21 cm, pueden proporcionar información reveladora sobre las propiedades de la Materia Oscura.
Esta tesis está organizada en tres partes. La Parte I está dedicada a una amplia introducción a los fundamentos que describen los temas considerados. Los conceptos básicos del paradigma cosmológico estándar, el universo Lambda-CDM, y un esbozo de la cronología cósmica se presentan en el Capítulo 1. El Capítulo 2 repasa el progreso histórico de las evidencias de la Materia Oscura, seguido de una discusión sobre el estado y la cuestiones del paradigma de la Materia Oscura Fría. Posteriormente se examinan dos escenarios alternativos de Materia Oscura no estándar: Materia Oscura Templada, con partículas con masas del orden del keV, y Materia Oscura Interactiva, donde las partículas de Materia Oscura interactúan a través de la dispersión elástica con fotones. Los efectos físicos, las motivaciones y las restricciones actuales de estos escenarios se estudian en detalle. El Capítulo 3 considera los Agujeros Negros Primordiales como otro candidato de Materia Oscura, repasando su mecanismo de formación, propiedades físicas y límites actuales en su abundancia. Se discuten ampliamente dos efectos principales: el acrecimiento de materia circundante y el incremento de las fluctuaciones a pequeña escala debido al ruido de Poisson, los cuales podrían dejar un impacto observacional en el Medio Intergaláctico. Los fundamentos de la señal cosmológica de 21 cm se revisan en el Capítulo 4, proporcionando las principales derivaciones a partir de un tratamiento de transferencia radiativa, resumiendo los procesos principales que pueden excitar y desexcitar átomos a través de la transición hiperfina en el hidrógeno, y discutiendo los detalles de sus fluctuaciones espaciales a través del espectro de potencias. También se examinan los diferentes métodos de observación por interferometría y experimentos de una única antena, el estado experimental actual y las perspectivas para la detección de la señal de 21 cm con futuros interferómetros. Finalmente, el Capítulo 5 está dedicado al tratamiento del Medio Intergaláctico y la evolución de su estado térmico y de ionización. Se discute el estudio de la Reionización en marcos globales y no homogéneos, así como los límites actuales sobre la evolución de la fracción ionizada por diferentes métodos. Se examinan los canales de enfriamiento y calentamiento relevantes en el medio neutro, junto con la evolución del flujo Lyman-alfa, finalizando con un bosquejo de las diferentes fases evolutivas del universo que se pueden estudiar mediante el estudio de la línea de 21 cm. La Parte II incluye siete artículos científicos originales publicados durante el desarrollo del doctorado, que constituyen el trabajo principal de esta tesis. Finalmente, la Parte III contiene un resumen de los principales resultados en castellano.
