Cosmic models and holography

• Autores: Alberto Rozas Fernández
• Directores de la Tesis: Pedro Felix González Díaz (dir. tes.)
• Lectura: En la Universidad Autónoma de Madrid ( España ) en 2011
• Idioma: inglés
• Tribunal Calificador de la Tesis: Enrique Álvarez Vázquez (presid.), Diego Pavon Coloma (secret.), Marco Bruni (voc.), Pedro V. Oliveira (voc.), Segei Odintsov (voc.)
• Materias:
  • Física
    • Física teórica
• Enlaces
  • Tesis en acceso abierto en: digitool-uam.greendata.es
• Resumen

  • Una creciente evidencia observacional indica que dentro del marco de la cosmología Friedmann-Robertson-Walker estándar, el contenido, la evolución y la dinámica del universo están bien descritos por un modelo de constante cosmológica (A) y materia oscura fría (ACDM) plano. Este es un modelo de concordancia en el que las partículas bariónicas representan un mero 4% de la materia del universo, mientras que el restante 96%, el llamado sector oscuro, comprende alrededor del 19% de partículas débilmente interactuantes, no relativistas y no bariónicas (materia oscura fría) responsable de la formación de estructura, y 77% de energía oscura. La energía oscura es una substancia que ser comporta como si tuviera presión negativa, cuya presión pA y densidad ¿A satisfacen ¿A = pA/¿A < ¿1/3, y que completa el balance para hacer al universo espacialmente plano y que es responsable a la vez de la aceleración cósmica actual. Observaciones cosmológicas recientes provenientes de supernovas de tipo Ia, de anisotropías del fondo de radiación de microondas medidas con el satélite WMAP, de estructura a gran escala, de lente gravitatoria débil y del efecto Sach-Wolfe integrado, proporcionan una evidencia abrumadora en favor de esta aceleración de la expansión del universo en el momento presente.

    No sorprende pues que tanto la naturaleza como el origen desconocidos de la energía oscura se hayan convertido en un problema fundamental de la física teórica y de la cosmología observacional. La constante cosmológica (o energía del vacío) es el candidato más obvio para tratar este asunto ya que se ajusta bien a los tests cosmológicos que tenemos a nuestra disposición. Sin embargo, los bien conocidos problemas del ¿ajuste fino¿ y de la coincidencia asociados con la constante cosmológica son razones suficientes para buscar alternativas.

    Si las observaciones futuras revelan que la energía oscura no es la constante cosmológica, entonces se deberían considerar un número de alternativas, incluyendo escenarios en los que la energía oscura interacciona no gravitacionalmente con otras componentes. Como las interacciones con bariones están fuertemente constreñidas por los experimentos, generalmente se asume que la energía oscura sólo puede interaccionar con la materia oscura.

    Esta posibilidad se está considerando muy activamente en la literatura y se han propuesto modelos de interacción de energía oscura que explican o al menos alivian el problema de la coincidencia, es decir, el hecho de que las densidades de materia oscura y energía oscura sean del mismo orden hoy. Por otro lado, se ajusta bien a las observaciones actuales.

    En esta tesis nos hemos centrado en dos avenidas de ataque que intentan arrojar algo de luz sobre el enigma de la aceleración de la expansión cósmica. El trabajo está dividido en dos líneas principales de investigación. Por un lado, hemos presentado un enfoque al problema de la energía oscura basado en el modelo subcuántico de energía oscura. Por otro lado, nos hemos aprovechado del exitoso modelo de energía oscura holográfica y hemos usado algunos modelos de campos escalares para imitar el comportamiento evolutivo de la energía del vacío dinámica y reconstruir estos modelos holográficos de campos escalares de acuerdo con el conjunto de las observaciones más recientes.

    La primera línea de investigación comenzó con el modelo de energía oscura subcuántica original. Este modelo se obtiene al pasar de la descripción lagrangiana de las partículas cuánticas relativistas al lagrangiano de una teoría de campos adecuada en el caso en el que la ecuación de onda de Klein-Gordon se interpreta clásicamente en función de un potencial subcuántico relativista. La teoría de campos resultante se aplicó entonces a la cosmología y se mostr¿que la versión relativista del potencial subcuántico de Bohm, que se puede asociar con una distribución homogénea e isótropa de partículas, se comporta como si fuera la constante cosmológica responsable de la aceleración actual de la expansión del universo, al menos en el límite donde el potencial del campo se anula.

    Hemos extendido este modelo con una nueva densidad lagrangiana que nos ha permitido la construcción de dos nuevos modelos que describen la aceleración actual del universo en el escenario Friedmann-Robertson-Walker plano. Uno de estos modelos se descartó por las observaciones pero el otro presentó una solución que, aunque evolucionaba en la región fantasma w < ¿1, estaba libre de la mayoría de los problemas presentes en los escenarios fantasma, tales como las inestabilidades violentas, las singularidades futuras y las violaciones clásicas de las condiciones de energía. Además, hemos estudiado la termodinámica de estos modelos y su descripción holográfica para finalmente proporcionar una interpretación de la energía oscura en función de la energía de entrelazado del universo.

    También hemos mostrado en nuestro modelo que, haciendo desaparecer en el tiempo de coincidencia la masa efectiva asociada con las partículas de materia, una fase previa decelerante dominada por materia puede ser seguida por una fase dominada por energía oscura.

    Finalmente, hemos obtenido expresiones más generales para estas soluciones cósmicas cuánticas para un número arbitrario de dimensiones espaciales, estudiando la estabilidad de estas soluciones así como la emergencia de ondas gravitacionales.

    La segunda línea de investigación se basa en el modelo de energía oscura holográfica, que hemos asumido como la teoría subyacente de la energía oscura, y hemos usado los campos escalares de k-esencia cinética y dilatónico para describirla de forma efectiva. Esto se ha hecho estableciendo una conexión entre la densidad de energía oscura holográfica y las densidades de la k-esencia cinética y del dilatón, respectivamente, en un universo de Friedmann-Robertson-Walker plano. Se han reconstruido sus términos cinéticos así como la dinámica de estos modelos holográficos y se han explorado sus consecuencias cosmológicas.

    Para finalizar, hemos considerado una interacción fenomenológica entre la energía oscura holográfica y la materia oscura y hemos usado el campo escalar taquiónico para imitar la evolución de esta energía oscura holográfica interactuante. La correspondencia entre las densidades del campo escalar taquiónico y de la energía oscura holográfica nos ha permitido la reconstrucción del potencial y de la dinámica de este modelo holográfico taquiónico interactuante en un universo de Friedmann-Robertson-Walker plano. Hemos mostrado entonces que este modelo puede describir las expansión acelerada de nuestro universo para un espacio de parámetros dado por los resultados observacionales más recientes.