Cosmología:

En búsqueda de la Energía Oscura con experimentos astronómicos de última generación

 

 

 

Santiago Casas

 

 

Postdoctoral Researcher

TTK, RWTH Aachen University

     @santiagocasas                                                                                                      X: @sant87casas

https://www.pablocarlosbudassi.com/2021/02/the-infographic-and-artistic-work-named.html

Vista logarítmica del Universo

Estrellas cercanas y la Vía Láctea

Grupo Local y estructuras de gran escala

https://medium.com/starts-with-a-bang

El fondo cósmico de microondas: "Una foto del Big Bang"

 

Planck 2018 CMB Temperature map (Commander) .  wiki.cosmos.esa.int/planck-legacy-archive/index.php/CMB_maps

Grandes Estructuras no-lineales: Materia Oscura y Bariones

Illustris Simulation: www.nature.com/articles/nature13316

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La evolución del Universo

  • Inflación
  • Bariogénesis
  • Recombinación
  • Hidrógeno Neutral
  • Estructuras de Materia Oscura
  • Galaxias
  • Expansión acelerada: Energía Oscura

 

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Qué sabemos hasta ahora?

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  • La composición del Universo al inicio:
  • ~60% Materia Oscura (DM)
  • ~ 12% Atomos normales (bariones)
  • ~ 10% Luz (fotones)
  • 10% Neutrinos
  • La composición del Universo ahora:
  • ~70% Energía Oscura (DE)
  • ~ 25% Materia Oscura
  • ~ 5% Bariones

Santiago Casas @ NineHubCR, 17.04.21

La composición del Universo

  • Del 5% de materia normal en el Universo hoy en día:
  • 99% es Hídrogeno y Helio creados en el Big Bang
  • La mayoría (>70%) de los átomos están en el espacio intergaláctico, no en estrellas o planetas
  • Elementos pesados fueron creados en supernovas

 

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Santiago Casas @ NineHubCR, 17.04.21

La composición del Universo

  • Como sabemos que la materia oscura no está hecha de bariones?
  • Física nuclear de partículas: Big Bang Nucleosynthesis
  • Sistema de O.D.E acopladas  que podemos resolver sabiendo las constantes fundamentales hoy día.

 

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Problema del Litio?

Los primeros 3min del Universo

Santiago Casas @ NineHubCR, 17.04.21

Fondo Cósmico de Microondas

Confirmado con observaciones del fondo de luz microondas emitidas ~380.000 años después del Big Bang

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Vemos su polarización

Vemos su temperatura

Con fluctuaciones de 1 parte en 100.000 sobre (2.7 Kelvin)

Santiago Casas @ NineHubCR, 17.04.21

Los inicios históricos de la cosmología

  • Einstein (1915) desarrolla la Teoría General de la Relatividad (TRG).
  • El universo se creía estático y eterno (Einstein introduce la constante cosmológica Lambda)
  • Se descubre que muchas nebulosas en realidad son galaxias muy lejanas
  • Hubble (con datos de Leavitt y Slipher) descubren que las galaxias se alejan
  • Lemaître desarrolla teoría del Big Bang a partir de una solución exacta a la TGR.
G_{\mu \nu} + \Lambda g_{\mu \nu} = 8\pi G T_{\mu \nu}

Henrietta Swan Leavitt

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Santiago Casas @ NineHubCR, 17.04.21

Las Ecuaciones de Einstein

G_{\mu \nu} + \Lambda g_{\mu \nu} = 8\pi G T_{\mu \nu}

Geometría y curvatura del espacio-tiempo

(funciones y derivadas de la métrica)

 

Contenido de energía y masa (momento) del Universo

 

métrica

Constante cosmológica

(energía del vacío?)

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Santiago Casas @ NineHubCR, 17.04.21

La escalera de distancias

  • Leavitt mide la distancia a las Cefeidas usando periodicidades.
     
  • Slipher usa espectroscopía para medir  redshifts y velocidades de galaxias.
     
  • Hubble asocia velocidades a distancias para crear "la ley de Hubble"

 

v = H \cdot d

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Santiago Casas @ NineHubCR, 17.04.21

Big Bang Theory y las ecuaciones de  Friedmann

  • Lemaître extrapola la expansión hacia atrás y propone un "hot Big Bang".
  • Friedmann, Robertson y Walker desarrollan solución exacta a la TRG de Einstein.
  • Métrica conocida como FLRW, es máximamente simétrica, homógenea e isotrópica.
     
  • La llamada ecuación de Friedmann relaciona el parámetro de Hubble con los contenidos del Universo.
  • Así sabemos su composición al medir su geometría.

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Santiago Casas @ NineHubCR, 17.04.21

El descubrimiento del CMB

  • Penzias and Wilson descubren en 1964 accidentalmente radiación de todas las direcciones del cielo.
  • Había sido predicha por Gamow et al. en los 50's.
  • Ganan en 1978 el premio Nobel.
  • Confirma la teoría del "hot Big Bang" y marca el inicio de la cosmología como ciencia moderna.

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Santiago Casas @ NineHubCR, 17.04.21

El CMB y parámetros cosmológicos

  • Espectro de potencias de fluctuaciones
  • \(\ell\) decomponer parches del cielo en multipolos.
  • Montañas y valles del espectro son muy sensibles a los componentes del Universo

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Santiago Casas @ NineHubCR, 17.04.21

Parámetro de Hubble

  • Hubble mismo mide : 500 km/s/Mpc
  • Difícil determinar distancias y velocidades de galaxias lejanas.
  • Actualmente la medición en CMB está en tensión con las pruebas locales

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Santiago Casas @ NineHubCR, 17.04.21

Tensiones en el parámetro de Hubble

  • Tensiones en estimación del parámetro \(H_0\)
  • Mediciones de CMB y universo temprano:  \(67 \, \rm{km}/\rm{s}  \, \rm{Mpc}^{-1}\)
  • Mediciones de universo local y clustering de galaxias:  \(72 \, \rm{km}/\rm{s}  \, \rm{Mpc}^{-1}\)

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Santiago Casas @ NineHubCR, 17.04.21

Supernovae Tipo Ia

  • 1998 dos equipos miden Supernovae Type Ia.
  • En una curva de velocidades vs. distancia se puede determinar la ley de Hubble.
  • Medición no calza con las creencias del momento, explicación: Universo con curvatura negativa o "Energía Oscura".
  • 2011: Perlmutter, Schmidt, Riess ganan premio Nobel por descubrimiento de la expansión acelerada.

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Santiago Casas @ NineHubCR, 17.04.21

Cosmología de Concordancia


Modelo cosmológico de concordancia juntando todas estas observaciones:

  • Universo es plano.
  • Materia oscura y visible representa sólo un 30% de la masa-energía.
  • El Universo se expande aceleradamente.

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Santiago Casas @ NineHubCR, 17.04.21

Modelo estándar \(\Lambda\)CDM

  • Modelo estándar del Universo: \(\Lambda\)CDM: Lambda-Cold-Dark-Matter
  • \(\Lambda\)CDM mejor fit a las observaciones actuales.
  • Modelo predictivo con pocos parámetros.
  • Lentes
  • CMB
  • Cúmulos
  • Supernovae
  • Clustering

Cosmología de Concordancia:

90 años después ->

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Planck 2015 measurements

La evolución del Universo

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Santiago Casas @ NineHubCR, 17.04.21

Como estudiamos la estructura a gran escala?

  • En LSS (Large Scale Structure) cada galaxia es sólo un vector, con velocidad, posición y orientación.

     
  • Con telescopios actuales, podemos ver cientos o miles de millones de galaxias a miles de millones de años luz.

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https://www.desi.lbl.gov/

Como estudiamos la estructura a gran escala?

Dark Energy Spectroscopic Instrument

Últimos resultados:

Abril 2024

 

5.7 millones de galaxias y quasares en esta imagen!

Se distribuyen las galaxias aleatoriamente en el cielo?

https://www.esa.int/Science_Exploration/Space_Science/Euclid/Euclid_test_images_tease_of_riches_to_come

No, hay una función de correlación de dos puntos entre ellas!

https://www.esa.int/Science_Exploration/Space_Science/Euclid/Euclid_test_images_tease_of_riches_to_come

Expresa la probabilidad de encontrar una galaxia a una cierta distancia de la otra

Nos indica que si no es "random", hay algún mecanismo físico detrás

No, hay una función de correlación de dos puntos entre ellas!

https://www.esa.int/Science_Exploration/Space_Science/Euclid/Euclid_test_images_tease_of_riches_to_come

Las galaxias también tienen orientación y elipticidad

https://www.esa.int/Science_Exploration/Space_Science/Euclid/Euclid_test_images_tease_of_riches_to_come

La orientación y elipticidad de las galaxias no es aleatoria, está asociada a la cantidad de materia y energía en el Universo

Las galaxias también tienen orientación y elipticidad

https://www.esa.int/Science_Exploration/Space_Science/Euclid/Euclid_test_images_tease_of_riches_to_come

Lastimosante el universo no es tan sencillo

Estructuras de gran escala

Dark Matter

Baryons

El Presente y el futuro de la Cosmología

El satélite espacial Euclid

El satélite espacial Euclid

ESA class M2 space mission, lanzado 1ero de Julio de 2023 con un cohete SpaceX Falcon9

 

Credits: www.esa.int/Science_Exploration/Space_Science/Euclid, www.euclid-ec.org, ESA/NASA/SpaceX, Euclid Consortium

Localizado en el punto de Lagrange 2, 1.5 millón de km de la tierra

El satélite espacial Euclid

  • Dos instrumentos:
  •  VIS (visible photometer): forma y orientación de ~1000 millones de galaxias!
  •  NISP (near infrared spectrograph): ~20 millones de espectros de galaxia  !
  • 6 años de misión
  • 15 000 grados cuadrados
  •  16 países, ~1500 miembros
  •  ~170 Petabytes de datos

VIS cosmic shear map

https://www.euclid-ec.org/blog/

Euclid preparation: I. The Euclid Wide Survey of ESA, R. Scaramella et al.

VIS cosmic shear map

Imágenes tempranas (astronómicas)

https://www.esa.int/Science_Exploration/Space_Science/Euclid/Euclid_s_first_images_the_dazzling_edge_of_darkness

  • Sólo en esta imagen: 100.000 galaxias, algunas nunca vistas antes.
  • Síguenos en instagram:
    @euclidconsortium

Vera Rubin LSST

Square kilometer array (SKAO)

  • SKA Phase 1: SKA1-Low and SKA1-Mid
  • SKA1-Low: 130,000 dipole antennas, 65km max. baseline (Australia)
  • SKA1-Mid: ~200 dishes of ~15m diameter, max. baseline 150km (South Africa)
  • Precursors: ASKAP, MEERKAT, HERA...
     
  • €1.3 Billion, 16 countries, 710 Petabytes, 8 years construction

Google maps

https://www.skao.int/

Santiago Casas @ NineHubCR, 17.04.21

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Other Future Probes

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LSST Vera Rubin Observatory in Chile: Weak Lensing

DESI in Arizona: Galaxy Clustering

LiteBird: CMB

LIGO: Gravitational Wave Sirens

5000 robotically controlled optical fibers

Santiago Casas @ NineHubCR, 17.04.21

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Other Future Probes

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DESI in Arizona: Galaxy Clustering

Ni tan futuras!

Mi trabajo diario en la cosmología

Dark Energy & Modified Gravity

The Horndeski Lagrangian

PhD thesis: Non-linear structure formation in models of Dark Energy and Modified Gravity, http://archiv.ub.uni-heidelberg.de/volltextserver/23120/

Beyond Einstein's GR

Scalar-Tensor theories

Effect on LSS

N-Body simulations

CONCEPT: Python and Neutrinos

GADGET2/CoDECS

Credit: Yun Ling, My bachelor student,

Jeppe Dakin (U. Zurich)

Credit: Dr. Marco Baldi, Master thesis co-supervisor

Approximate methods: COLA

ABACUS: Fits for GCspectro with 1loopEFT

Other codes tested:

gevolution

flowpm

GNQ: Growing Neutrino Quintessence (developed in Heidelberg)

Credit: Winther, SC, Koyama, et al (2019)

Credit: SC, Führer, Ayaita, Weber, Wetterich

Credit: Rademacher, Moradinezhad, Lesgourges, SC

My Journey with Euclid

Credits: www.esa.int/Science_Exploration/Space_Science/Euclid, www.euclid-ec.org, ESA/NASA/SpaceX, Euclid Consortium

Euclid consortium scientist visits Cannes. Credits: ThalesAlenia Space

Euclid preparation: VII. Forecast validation for Euclid cosmological probes,,Blanchard et al. arXiv:1910.09273

★ Awardees of the Euclid STAR Prize Team 2019

EC Builder Status achieved 2023

Early Release Observations. ECICOM, ECEPO: Social media manager of instagram: @euclidconsortium

Euclid Launch: 1st July 2023

Large forecasting projects

The Fingertip Galaxy

FISHER Matrix forecasts

Code: CosmicFish

S.Casas, M.Martinelli and M.Raveri

Soon to be released: Full pythonic version

https://github.com/santiagocasas/cosmicfishpie

Cosmomathica/Fishermathica

Python, Numpy-intensive

Couples to CAMB, CLASS, HiCLASS, MGCAMB, input4cast files

GC, WL, 21cm-IM, 3x2pt, CMB

Euclid, DESI, Rubin LSST, SKAO

Wolfram Language,

Cosmomathica-FORTRAN link for CAMB

GC, WL

Euclid, SKA1

Used to produce and validate IST:F forecasts 2015-2019

Hessian of a Gaussian Likelihood. Used to approximate posterior distributions at the maximum (fiducial value)

First code to be validated against MontePython MCMC forecasts

SC, Lesgourgues, Schöneberg, et al., Euclid: Validation of the MontePython forecasting tools, 2303.09451 

Euclid preparation: VII. Forecast validation for Euclid cosmological probes,,Blanchard et al. arXiv:1910.09273

SC, Kunz, Martinelli, Pettorino, Phys.Dark Univ. 18 1703.01271

https://github.com/santiagocasas/cosmomathica

Other surveys and cross-correlations

Vera Rubin Observatory, LSST Project Office - http://www.lsst.org/gallery/telescope-rendering-2013

SC, Carucci, Pettorino et al (2022), Constraining gravity with synergies between radio and optical cosmological surveys, 2210.05705 

CMB Stage-IV experiments:  https://kipac.stanford.edu/research/projects/cmb-stage-4

Invited talk at the Manchester Optical x Radio Synergy meeting

  • La cosmología se ha vuelto una ciencia de precisión gracias a la radiación cósmica de microondas (CMB) y a los escaneos de redshifts de galaxias.
  • Gracias a estas pruebas sabemos los componentes del Universo con precisión de 1%.
  • No obstante, aún tenemos rangos en el tiempo y en escalas que no han sido explorados, que podrán ser explorados con la línea de 21cm de hídrogeno.

 

  • Mucho que aprender sobre reionización, las épocas oscuras y las formaciones de estructura.
  • Muchísimos datos nuevos de muchas misiones en construcción!
  • Tenemos trabajo para décadas y décadas por venir!

Gracias!!

Conclusiones

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