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.
Henrietta Swan Leavitt
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Santiago Casas @ NineHubCR, 17.04.21
Las Ecuaciones de Einstein
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"
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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
- ℓ 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 H0
- Mediciones de CMB y universo temprano: 67km/s Mpc−1
- Mediciones de universo local y clustering de galaxias: 72km/s 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 ΛCDM
- Modelo estándar del Universo: ΛCDM: Lambda-Cold-Dark-Matter
- ΛCDM 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
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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