Resumen de The Galactic Center as a laboratory for dark matter and theories of modified gravity
- español
La teoría de la Relatividad General, formulada hace poco más de un siglo por Albert Einstein, implicó un cambio en nuestra comprensión de la gravedad y en la actualidad ha sido validada con numerosas observaciones. El Centro Galáctico se destaca como un laboratorio único en la frontera entre la física fundamental y astrofísica en la que verificar la teoría einsteniana de la gravedad. Numerosas evidencias observacionales indican que la fuente Sagitario A* que se encuentra en esta región es un agujero negro supermasivo de cuatro millones de masas solares. Las observaciones de alta resolución de este objeto y las estrellas en su vecindad no solo abren un nuevo escenario en que validar las predicciones de la teoría de Einstein en el límite de campo fuerte, sino también podrían falsar dicha teoría frente a alguna de sus alternativas, probar diferentes paradigmas de la naturaleza de la materia oscura o imponer restricciones sobre las características físicas de la propia fuente Sagitario A*.
En esta tesis exploraremos algunas de estas posibilidades. Primero, desarrollamos una metodología numérica con la modelización apropiada para predicir observables relativistas para estrellas y pulsares en el Centro Galáctico. Seguidamente utilizamos datos actuales y catálogos simulados de fuentes y técnicas de inferencia bayesiana para predecir qué tipo de restricciones podrán aportar futuras observaciones. Consideraremos distintos escenarios, incluyendo componentes extendidos de materia oscura alrededor de Sagitario A*, modelos de imitadores de agujeros negros y modificaciones a la teoría subyacente de la gravedad. Más allá de la importancia de las cotas derivadas para estos modelos, que presentan resultados complementarios a los obtenidos en diferentes escalas astrofísicas o cosmológicas en la literatura, nuestro trabajo demuestra la poderosa capacidad de las observaciones del Centro Galáctico para validar la teoría de la Relatividad General y el concepto de agujero negro. Las metodologías que hemos desarrollado representarán una herramienta valiosa para las futuras investigaciones en este campo.
- English
The theory of General Relativity, formulated a little over a century ago by Albert Einstein, implied a paradigm shift in our understanding of gravity and the space we live in, and still today it resists with astounding predictive power to the numerous experimental tests it undergoes. In this context, the Galactic Center of the Milky Way has stood out in recent years as a unique and powerful laboratory at the edge of fundamental physics and astrophysics. Numerous observational pieces of evidence indicate that compact radio source Sagittarius A*, harbored in this region, is a four-million-solar-masses supermassive black hole, as described by General Relativity. As such, high resolution observations of this object and its surroundings not only open a unique new avenue to test the basic predictions of General Relativity but also to falsify it against theories that have been proposed to modify or extend it, to test different paradigms of dark matter and to place constraints on the very fundamental nature of Sagittarius A*. In this thesis, we explore this fascinating possibility. First, we develop a numerical methodology and the appropriate modeling required to produce fully relativistic observables for stars and pulsars in the Galactic Center. We then use current data, mock catalogues for future observations of both known objects and putative ones, and Bayesian inference techniques to derive novel constraints on a variety of different scenarios, including extended dark matter components surrounding Sagittarius A*, black hole mimicker models and modifications to the underlying theory of gravity. Beyond the importance of the constraints derived for these models, which often represent complementary probes to those obtained at different astrophysical or cosmological scales in the literature, our work demonstrates the powerful ability of observations at the Galactic Center to further strengthen the central role of General Relativity and the black hole paradigm and the methodologies we have developed will represent a valuable tool for future research in this field.
