Vacíos cósmicos como laboratorios cosmológicos

Abstract

Los extensos vacíos cósmicos (voids) presentes en la estructura a gran escala del Universo constituyen sistemas físicos ideales para estudiar el fenómeno de la energía oscura, uno de los misterios fundamentales de la Naturaleza. Este potencial se ve incrementado en vista del progreso en el volumen muestreado por los relevamientos espectroscópicos modernos. Existen dos estadísticos principales en el estudio de los voids: la función de tamaños y la función de correlación cruzada void-galaxia. Ambos están afectados por las distorsiones geométricas (efecto AP) y dinámicas (efecto RSD) presentes en la distribución espacial de las galaxias, las cuales inducen patrones anisótropos en las mediciones observacionales. Su modelado posee un alto valor dinámico y cosmológico. La presente tesis se divide en tres partes. En la primera, presentamos un nuevo test cosmológico basado en proyecciones de la función de correlación que tiene en cuenta los efectos AP y RSD, y un tercer efecto sistemático: la mezcla de escalas. Además, las correlaciones se tratan directamente en términos de distancias angulares y de redshift entre pares void-galaxia sin la necesidad de asumir una cosmología fiduciaria. En la segunda parte, realizamos un estudio exhaustivo del impacto que tienen los efectos AP y RSD en el proceso de identificación de voids a partir de datos observacionales, aspecto fundamental para el diseño de experimentos que permitan ajustes no sesgados de los parámetros que conforman los modelos cosmológicos. Descubrimos tres efectos nuevos que afectan las propiedades globales de los voids: una expansión (t-RSD), un descentrado (v-RSD) y un derivado del efecto AP que altera su volumen. En la tercera parte, analizamos el impacto que tienen estos efectos en la medición de la función de tamaños y de correlación. Descubrimos una cuarta fuente de distorsiones que afecta las correlaciones: la elipticidad de los voids (e-RSD). Además de su importancia cosmológica práctica, el análisis llevado a cabo en este trabajo tiene profundas implicaciones en nuestro entendimiento acerca de la estructura y dinámica del Universo en las escalas más grandes.

The vast cosmic voids present in the large-scale structure of the Universe constitute ideal physical systems for studying the dark energy problem, one of the fundamental mysteries of Nature. This potential is enhanced in view of the progress in the volume sampled by modern spectroscopic surveys. There are two main statistics in void studies: the void size function and the void-galaxy cross-correlation function. Both are affected by geometrical (AP effect) and dynamical (RSD effect) distortions present in the spatial distribution of the galaxies, which induce anisotropic patterns in observational measurements. Their modelling has a high dynamical and cosmological value. This thesis is divided into three parts. In the first one, we present a new cosmological test based on projections of the correlation function that takes into account the AP and RSD effects, and a third systematic effect: the mixture of scales. Furthermore, correlations are treated directly in terms of angular and redshift distances between void-galaxy pairs without the need to assume a fiducial cosmology. In the second part, we carry out a thorough study of the impact that the AP and RSD effects have on the void identification process from observational data, a fundamental aspect in order to design experiments that lead to unbiased constraints of the parameters that make up cosmological models. We discovered three new effects that affect global properties of voids: an expansion (t-RSD), an off-centring (v-RSD) and a by-product of the AP effect that modifies their volume. In the third part, we analyse the impact that these effects have on the measurements of the void size function and the correlation function. We discovered a fourth source of distortions that affects correlations: the ellipticity of voids (e-RSD). In addition to its practical cosmological importance, the analysis carried out in this work has profound implications for our understanding of the structure and dynamics of the Universe at the largest scales.