En búsqueda de la Energía Oscura con Euclid y experimentos cosmológicos de cuarta generación

 

 

 

Santiago Casas

 

 

Postdoctoral Researcher

TTK, RWTH Aachen University

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

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

Einstein's General Relativity

  • \(\Lambda\)CDM is still best fit to observations.
  • Some questions remain:
  • \(\Lambda\) and CDM.
  • Cosmological Constant Problem:

O(100) orders of magnitude wrong
(Zeldovich 1967, Weinberg 1989, Martin 2012).
 Composed of naturalness and coincidence
sub-problems, among others.

Quantum Gravity?

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

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Santiago Casas @ NineHubCR, 17.04.21

Tensions in the \(\Lambda\)CDM model

  • \(\Lambda\)CDM is still best fit to observations.
  • Some questions remain:
  • H0 tension, now ~5\(\sigma\)

Planck, Clusters and Lensing tension on clustering amplitude \(\sigma_8\)

KiDS 1000 Cosmology, arXiv:2010:16416

L.Verde, et al 2019. arXiv:1907.10625

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Santiago Casas @ NineHubCR, 17.04.21

How do we study the Large Scale Structure?

  • With Supernovae and CMB already at the highest possible precisions, what is next?

     
  • Large Scale Structure of the Universe -> Next frontier of precision science

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Santiago Casas @ NineHubCR, 17.04.21

How do we study the Large Scale Structure?

  • In Large Scale Structure, every galaxy is just a point in a large field of density and velocity

     
  • With current telescopes we can look further out billions of years

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How do we study the Large Scale Structure?

  • In Large Scale Structure, every galaxy is just a point in a large field of density and velocity
  • With current telescopes we can look further out billions of years
  • Galaxies trace density and velocity of underlying dark matter

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Santiago Casas @ NineHubCR, 17.04.21

How do we study the Large Scale Structure?

  • Statistical correlations among these points give us information about the components of the Universe.
  • The two-point correlation function is the most important statistical probe.

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Santiago Casas @ NineHubCR, 17.04.21

How do we study the Large Scale Structure?

Fourier Transform

Galaxy positions and velocities

2-pt-correlation function

Power spectrum

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Santiago Casas @ NineHubCR, 17.04.21

The power spectrum in Large Scale Structure

BAO

Clustering

RSD

Spec-z

Euclid Collaboration, IST:Forecasts, arXiv: 1910.09273

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Santiago Casas @ NineHubCR, 17.04.21

The Power Spectrum

  • Until now, only a few scales of the power spectrum have been measured independently.

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Santiago Casas @ NineHubCR, 17.04.21

The Power Spectrum

  • Until now, only a few scales of the power spectrum have been measured independently.
  • Future next-generation galaxy surveys, such as Euclid, will measure it with high-precision.

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Santiago Casas @ NineHubCR, 17.04.21

The Present and Future of Cosmology

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Santiago Casas @ NineHubCR, 17.04.21

The Euclid Space Satellite

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Santiago Casas @ NineHubCR, 17.04.21

The Euclid Space Satellite

Localizado en el punto de Lagrange L2

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Santiago Casas @ NineHubCR, 17.04.21

Future Galaxy Survey Missions

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Santiago Casas @ NineHubCR, 17.04.21

The Euclid Before and After

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Santiago Casas @ NineHubCR, 17.04.21

Large Scale Structure

Predicting future constraints, based mostly on the power spectrum

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Santiago Casas @ NineHubCR, 17.04.21

Complementarity of probes

Credits: Sunayana Bhargava

21cm Intensity Mapping

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Santiago Casas @ NineHubCR, 17.04.21

What is the 21cm line?

  • Hyperfine transition line in neutral Hydrogen
  • Spin-flip transition: very rare (once every ten million years)
  • However, there is so much Hydrogen in the Universe, that we can observe this constantly.
  • At 1420 MHz, it falls into the radio spectrum of EM waves.
  • Therefore, we need Radioastronomy to study it!

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Santiago Casas @ NineHubCR, 17.04.21

Cosmology with the 21cm line

  • Cosmology with 21cm Intensity Mapping will close a gap in our understanding of the Universe!
  • Access to redshifts never explored before!

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Santiago Casas @ NineHubCR, 17.04.21

SKA Observatory, the next frontier!

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Santiago Casas @ NineHubCR, 17.04.21

SKA Phase 1 - expected for 2030

Image credit: Isabella Carucci

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Santiago Casas @ NineHubCR, 17.04.21

SKA Phase 1 - expected for 2030

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Santiago Casas @ NineHubCR, 17.04.21

Tensions in \(\Lambda\)CDM

  • Tensions in Hubble expansion parameter
  • Tensions in Lensing

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Santiago Casas @ NineHubCR, 17.04.21

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Other Future Probes

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LSST Vera Rubin Observatory: Weak Lensing

DESI: Galaxy Clustering

LiteBird: CMB

LIGO: Gravitational Wave Sirens

Santiago Casas @ NineHubCR, 17.04.21

Alternatives to \(\Lambda\)CDM

Ezquiaga, Zumalacárregui, Front. Astron. Space Sci., 2018

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Santiago Casas @ NineHubCR, 17.04.21

Parametrized modified gravity

\rm{d}s^2 = -(1+2\Psi) \rm{d}t^2 + a^2(1-2\Phi) \rm{d}x^2

In \(\Lambda\)CDM the two linear gravitational potentials \(\Psi\) and \(\Phi\) are equal to each other

We can describe general modifications of gravity (of the metric) at the linear level with 2 functions of scale (\(k\)) and time (\(a\))

\Sigma(a,k) = \frac{1}{2}\mu(a,k)(1+\eta(a,k))

Only two independent functions

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Santiago Casas @ NineHubCR, 17.04.21

Late-time parametrization: Planck constraints

  • Using Planck satellite data in 2015 and 2018, constraints were obtained on these two functions \(\mu\) and \(\eta\).
  • Late-time parametrization: dependent on Dark Energy fraction

Planck 2015 results XIV, arXiv:1502.01590

Planck 2018 results VI, arXiv:1807.06209

Casas et al (2017), arXiv:1703.01271

Forecasts for Stage-IV surveys in:

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Santiago Casas @ NineHubCR, 17.04.21

Weak Lensing

  •  Influence of matter-energy: galaxies align and get distorted
  •  Correlation function
    of cosmic shear: information about matter content
    and expansion.

Directly constrains MG function \(\Sigma\) through Weyl potential

-k^2(\Phi(a,k)+\Psi(a,k)) \equiv 8\pi G a^2 \Sigma(a,k)\rho(a)\delta(a,k)

Text

Santiago Casas @ NineHubCR, 17.04.21

Large Scale Structure and Neutrinos

  •  Neutrinos affect structure formation
  •  Neutrinos affect dark matter halo structures
  • Neutrinos coupled to Dark Energy could cause temperature fluctuations in CMB and 21cm lines.

In Casas et al (2016) we studied predictions of these models on the cosmological observables

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Santiago Casas @ NineHubCR, 17.04.21

Galaxy Clustering - IM Synergies

  • SKA1 and Euclid probe complementary redshifts in spectroscopic GC.
  • IM and GC cross-correlation offers gain in information and reduction of systematics

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Santiago Casas @ NineHubCR, 17.04.21

SKA1  Results

SKA1:

GC+WL+XC (Continuum) +
IM (HI 21cm) + GCsp(HI)
+ Planck'15

  • Planck provides information on \(\Omega_{b}, \, \Omega_{m}\) but also on the MG parameter \(\Sigma\).
  • In the \(\mu\)-\(\Sigma\) plane it complements very well with the IM constraints.
  • Combined constraints on \(\Sigma\) ~ 1.5%

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Casas et al (2022)

Santiago Casas @ NineHubCR, 17.04.21

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Conclusiones

  • 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.
  • Actuales y futuras observaciones con la línea de 21cm serán pruebas fundamentales de la gravedad y cosmología y resolverán las tensiones en los datos.
  • El observatorio SKA y el satélite Euclid son muy complementarios en esta tarea. Aún mucho por descubrir!

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PRELIMINARY

SKA1 Surveys

HI galaxies spectroscopic survey

  1. GCsp: HI galaxy spec. redshift survey: \(0.0 < z < 0.5\)
    probes 3D matter power spectrum in Fourier space.

SKA1 Redbook 2018, arXiv:1811.02743

SKA1 Medium Deep Band 2:  \(5000 \, \rm{deg}^2\)

SKA1 Surveys

  1. GCsp: HI galaxy spec. redshift survey: \(0.0 < z < 0.5\)
    probes 3D matter power spectrum in Fourier space
  2. GCco + WL + XCco (Continuum): \(0.0 < z < 3.0 \)
    probes angular clustering of galaxies, Weak Lensing (Weyl potential) and galaxy-galaxy-lensing.
    Angular number density:
    \( n \approx 3.2 \rm{arcmin}^{-2}\)
     

SKA1 Redbook 2018, arXiv:1811.02743

SKA1 Medium Deep Band 2:  \(5000 \, \rm{deg}^2\)

Continuum galaxy survey

SKA1 Surveys

  1. GCsp: HI galaxy spec. redshift survey: \(0.0 < z < 0.5\)
    probes 3D matter power spectrum in Fourier space
  2. GCco + WL + XCco (Continuum): \(0.0 < z < 3.0 \)
    probes angular clustering of galaxies, Weak Lensing (Weyl potential) and galaxy-galaxy-lensing.
    Angular number density:
    \( n \approx 3.2 \rm{arcmin}^{-2}\)
     

*kindly provided by Stefano Camera

SKA1 Medium Deep Band 2:  \(5000 \, \rm{deg}^2\)

Continuum galaxy survey

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