Investigación

Ondas Gravitacionales

En el grupo se utilizan experimentos de ondas gravitacionales basados en interferometría para acotar modelos alternativos del sector oscuro del universo.

Materia Oscura

La evidencia de la existencia de materia oscura (DM) se basa en sus efectos gravitatorios. Los esfuerzos por comprender su naturaleza han motivado una interpretación en el marco de la física de partículas que requiere postular la existencia de nuevas partículas oscuras más allá de las previstas por el Modelo Estándar de la física de partículas. A pesar de décadas de avances experimentales, la naturaleza de la DM sigue siendo un misterio. Incluso sus propiedades más fundamentales, como su masa y la intensidad de sus interacciones con las partículas del Modelo Estándar y entre las propias partículas oscuras, aún se desconocen.

En el grupo se estudian las predicciones de distintos modelos del sector oscuro para procesos relevantes en la historia del universo —como la generación de reliquias durante el período inflacionario y la producción de materia oscura—, así como para la evolución de las perturbaciones cosmológicas a gran escala y diversos observables astrofísicos —entre ellos, los efectos sobre las mediciones de sincronización de púlsares y los experimentos de ondas gravitacionales—. Estas predicciones se contrastan con resultados observacionales y experimentales.

Universo Temprano

En cuanto al origen y la evolución temprana de las perturbaciones cosmológicas, se estudia la robustez de las predicciones teóricas de los modelos inflacionarios, así como los distintos mecanismos de producción de materia oscura y otras reliquias. Esta línea de investigación incluye el desarrollo de métodos sistemáticos para el cálculo de funciones de correlación de campos cuánticos y de otras magnitudes relevantes en el universo temprano.

Inteligencia Artificial y Cosmología

En los últimos años, hubo un avance significativo en la aplicación de métodos de machine learning a la astrofísica y la cosmología. Entre estos métodos, se encuentra el llamado Physics Informed Neural Networks (PINNs) que permite obtener las soluciones de sistemas diferenciales, sin requerir del uso de los métodos numéricos tradicionales. La gran ventaja de este abordaje es una importante reducción en los tiempos computacionales en los procesos de inferencia de parámetros cuando el sistema diferencial es intensivo desde el punto de vista computacional, lo cual ocurre particularmente en modelos cosmológicos alternativos al modelo estándar. Por otra parte, este método, aún en desarrollo, no provee estimaciones de su propio error para cualquier tipo de ecuación diferencial y por lo tanto esta es un área de investigación en la cual estamos trabajando activamente. También estamos trabajando en extender la aplicación del método de PINNs al estudio del crecimiento de estructuras en el Universo.

Utilizamos el método de PINNs (Physical Informed Neural Networks) para obtener la dinámica del Universo en distintos modelos cosmológicos como alternativa a los métodos numéricos tradicionales. También se utilizan métodos de regresión con redes neuronales para extraer predicciones teóricas de cantidades relevantes para la cosmología a partir de códigos numéricos.

Formación y Evolución de Galaxias

Las galaxias se forman como resultado del enfriamiento y colapso del gas en el centro de los halos de materia oscura, donde comienza el proceso de formación estelar. En el marco del modelo cosmológico de concordancia, el crecimiento y evolución de los halos de materia oscura y sus galaxias ocurre de manera jerárquica, siendo fuertemente afectada por colisiones y acreción continua de masa. Dicha evolución es altamente no lineal, carente de simetrías y multi-escala; en este contexto, las simulaciones numéricas se han convertido en la herramienta por excelencia para estudios de la formación de galaxias, siguiendo la evolución de sus distintas componentes a lo largo del tiempo cósmico.

Estudiamos en particular la formación y evolución de discos galácticos en galaxias de masa y estructura similar a nuestra Vía Láctea, su estabilidad, y su conexión con componentes estelares como bulbos y barras. Utilizamos también simulaciones cosmológicas restringidas del Grupo Local para investigar la influencia del entorno y de la historia de formación de estructuras sobre la evolución de la Vía Láctea, Andrómeda y sus galaxias satélite. Complementariamente, estudiamos la evolución química de las galaxias y su relación con los procesos de formación estelar y ensamblaje galáctico.

Trabajamos también en el desarrollo de código, incorporando modelos físicos de tipo sub-grilla en las simulaciones. Entre nuestros desarrollos recientes se encuentra un modelo para describir el hidrógeno molecular y su relación con la formación estelar, que permite estudiar de manera más detallada la conexión entre el gas molecular, el nacimiento de estrellas y la estructura de las galaxias.

Púlsares

Los púlsares —estrellas de neutrones con períodos de rotación extraordinariamente estables— constituyen uno de los laboratorios más precisos para el estudio de la física gravitacional en régimen de campo fuerte. En el grupo se busca aprovechar los datos obtenidos a partir de las observaciones de púlsares para acotar modelos alternativos de materia oscura y de gravedad. Para ello, se utilizan y desarrollan enfoques y técnicas estadísticas orientados a extraer, a partir de dichos datos, las restricciones sobre los modelos considerados.

Gravedad Modificada

El descubrimiento de la expansión acelerada del universo, realizada con supernovas tipo Ia en el año 1998, trajo aparejado un problema para la cosmología teórica: explicar el mecanismo físico responsable de la misma. La propuesta del modelo cosmológico estándar (LCDM), incluir la constante cosmológica en las ecuaciones de Einstein, presenta algunos problemas teóricos. Este problema, junto con las tensiones en los valores de los parámetros cosmológicos motivan el estudio de modelos cosmológicos alternativos. Entre los modelos alternativos más estudiados podemos distinguir tres categorías: i) energía oscura paramétrica donde se agrega un fluido con una ecuación de estado particular agregado al tensor-energía impulso ii) agregar un campo escalar (o varios) con un determinado potencial al tensor-energía impulso y iii) considerar que la interacción gravitatoria es descripta por una teoría de gravitación alternativa a la Relatividad General. Esta última opción se conoce con el nombre de gravedad modificada y también se utiliza para describir fenómenos que se atribuyen a la materia oscura.

Se estudian modelos de gravedad modificada para explicar la expansión acelerada actual del universo. Asimismo se testean los límites locales a estas teorías para evaluar su consistencia. Entre los modelos estudiados podemos mencionar los modelos de f(R) propuestos por Hu-Sawicky y Starobinsky, gravedad unimodular y gravedad teleparalela con acoplamiento no mínimo.

Se estudian modelos de gravedad modificada como alternativas a la descripción del universo en términos de un sector oscuro, incluidos modelos de materia oscura de espín 2, con énfasis en el estudio de su consistencia teórica y sus implicaciones fenomenológicas.

Análisis de Datos e Inferencia

Usamos datos de supernovas tipo Ia, cronómetros cósmicos, oscilaciones acústicas de bariones, Fondo Cósmico de Radiación, flujos de quasares en UV y en rayos X y la edad de los cúmulos globulares más antiguos para testear las predicciones de modelos cosmológicos alternativos al modelo estándar y establecer límites a los parámetros libres de los mismos.

El aumento significativo en la cantidad y calidad de datos de los últimos años, resultó en que aparecieran tensiones en los valores de los parámetros cosmológicos inferidos con diferentes grupos de datos. El ejemplo más conocido es la llamada tensión de Hubble: un desacuerdo que actualmente tiene una significancia de más de 5 sigmas, entre el valor inferido con los datos del Fondo Cósmico de Radiación, asumiendo el modelo cosmológico estándar y el obtenido a partir de mediciones de supernovas tipo Ia y estrellas cefeidas. Motivados por estas discrepancias, nos focalizamos en el estudio de las métricas de tensión que permiten evaluar la significancia estadística del acuerdo o desacuerdo del valor de los parámetros cosmológicos que se infieren con distintos grupos de datos