Relativistic effects in large scale structure

Abstract

En esta tesis estudiamos efectos relativistas en la estructura a gran escala del universo en $\Lambda$CDM y modelos de energía oscura. El término observado de sobredensidad de materia es derivado en el regimen lineal, donde se muestra de forma natural que este se encuentra relacionado no solo a la distribución de materia oscura subyacente, sino que también es sensible a otros efectos tales como el Redshift-space Distortion, el efecto Doppler y a lentes gravitacionales. De la misma forma, se muestra que existen contribuciones provenientes de un conjunto de efectos denominados 'relativistas', el cual consiste en el efecto Shapiro, el efecto Sachs-Wolfe Integrado y términos de potenciales gravitacionales locales. Con lo anterior se calcula una expresión general para el espectro angular de potencias de materia válida para una amplia clases de modelos de energía oscura y teorías de gravedad modificada ya que se basa en una descripción fenomenológica que introduce dos parametros, $Q$ y $\eta$, los que capturan de una forma efectiva el clustering modificado (o constante gravitacional efectiva) y el stress anisotrópico que puede aparecer en algunos modelos cosmológicos alternativos. Como caso particular, en este trabajo consideramos un modelo de fluido efectivo para la energía oscura tipo quintaesencia, el cual es caracterizado por un parámetro de ecuación de estado $w\neq-1$ y una velocidad del sonido $0\leq c^2_s\leq1$. Ambos grados de libertad contribuyen explícitamente a los parametros efectivos $Q$ y $\eta$ así como también a la tasa de crecimiento de estructuras en el universo. Exploramos el espectro angular de potencias en este modelo para cinco valores de $c^2_s$ y comparamos los resultados con respecto a una cosmología $\Lambda$CDM de referencia hasta multipolos $\ell=100$ y redshift $z=2$. En general, las desviaciones de $\Lambda$CDM son mayores a bajo redshift ya que el fluido de energía oscura puede diferenciarse mejor de la constante cosmológica durante el universo tardío. Encontramos que en este modelo las sobredensidades de materia varían hasta un $\sim15\%$ a bajo redshift, mientras que el redshift-space distortion y efecto Doppler pueden desviarse hasta $\sim115\%$ respecto a $\Lambda$CDM para el caso $c^2_s=0$, donde las perturbaciones en el fluido efectivo pueden crecer a cualquier escala. A redshift mayores las diferencias en estos términos permanecen acotadas, aunque para el caso de lentes gravitacionales se obtienen diferencias de hasta $20\%$ en $z=2$ debido a que se trata de un efecto integrado. Para los efectos relativistas encontramos que el retardo Shapiro y los potenciales gravitacionales locales se comportan de manera cualitativamente similar, mostrando diferencias de hasta un $\sim20\%$ a redshift bajo. Finalmente, el efecto Sachs-Wolfe Integrado muestra la mayor influencia del modelo de energía oscura mostrando hasta $\sim 90\%$ de diferencia relativa con respecto a $\Lambda$CDM debido a su capacidad de probar la tasa de crecimiento de estructuras pero también su variación temporal. Además, este efecto se ve potenciado por la tasa de clustering del fluido oscuro y es el único sensible a la posible presencia de viscosidad en el mismo, por lo cual representa una herramienta importante para probar modelos alternativos a $\Lambda$CDM usando surveys de galaxias.