Theories of gravitation confronted with cosmological observations

Abstract

This thesis studies Dark Energy, a central topic of Modern Cosmology, from different points of view. It covers from models and parametrizations to likelihood approximations for the observations of the Large Scale Structure (LSS) of the Universe, which are vital for model constraining, as well as for our study of the S8 tension.

The studied model is the α-attractors dark energy model, which reproduces current observations thanks to its capability to mimic a cosmological constant. It is inspired on the Planck-favored inflationary class of models α-attractors and links the inflationary and dark energy periods with the same scalar field. Fortunately, next-generation surveys might be able to distinguish it from ΛCDM by up to 3σ of confidence.

Nevertheless, in order to make the most of forthcoming data, we need a formalism that allows us to test models in an efficient way. This could be a observational and theoretical constrained parametrization. We show the case of w0 -wa for thawing quintessence. This parametrization is able to reproduce the observables from recombination to the present when chosen smartly. In addition, their probability distributions built from purely theoretical considerations allow us to restrict the observational bounds to the theoretically motivated area. This work shows how we can work with very general theories such as Horndeski.

However, the observational constraints also depend on the correct estimation of their likelihood. Therefore, we have developed (and implemented in NaMaster, from LSST DESC) the Narrow Kernel Approximation (NKA) for the Gaussian (not causally connected) part of the LSS pseudo-Cl covariance matrix. This allows to reproduce accurately the cosmological parameters’ posterior distribution while reducing the computational cost from O(lmax6) (exact computation) to O(lmax3). For sure, the exact computation will be intractable for the next-generation LSS observations, which will resolve really small scales.

The NKA has allowed us to start our study of the origin of the S8 tension reported by KiDS-450. With data of LSS from DES and data of CMB from Planck, we want to obtain the temporal evolution of S8 and compare it with that given by KiDS-450 data.

Summing up, this thesis has covered dark energy models and developed accurate methods to test their viability in an efficient way. Furthermore, it has gone closer to data and developed the NKA that allows to accurately estimate the LSS likelihood, making it possible for us to study the origin of the S8 tension.

Esta tesis estudia la energía oscura, un tema central en la Cosmología Moderna, desde diferentes puntos de vista. Cubre desde modelos y parametrizaciones, hasta aproximaciones de la likelihood de observaciones de la Estructura a Gran Escala del Universo (LSS), vitales para constreñir los modelos, como para nuestro estudio de la tensión en S8.

El modelo estudiado es el de energía oscura de α-attractors, que reproduce las observaciones actuales al poder asemejarse a una constante cosmológica. Inspirado en la clase de modelos de inflación favorecidos por Planck, α-attractors, enlaza el periodo de inflación y energía oscura mediante el mismo campo escalar. Afortunadamente, las misiones futuras podrían diferenciarlo de ΛCDM con hasta 3σ de confianza.

No obstante, aprovechar al máximo los datos futuros requiere un formalismo que nos permita comprobar la viabilidad de los modelos eficientemente, como una parametrización acotada observacional y teóricamente. Mostramos el caso de w0-wa para quintaesencia de tipo thawing, que reproduce los observables desde recombinación hasta hoy, si se eligen apropiadamente. Construidas sus distribuciones de probabilidad bajo condiciones puramente teóricas, nos permiten restringir las cotas observacionales a la zona teóricamente motivada. Este trabajo es una muestra de cómo podemos trabajar con teorías muy generales como Horndeski.

Pero las cotas observacionales dependen también de una correcta estimación de su likelihood. Por ello, hemos desarrollado (e implementado en NaMaster, del LSST DESC) la Narrow Kernel Approximation (NKA) para la parte gausiana (causalmente no conectada) de la covarianza de los pseudo-Cl de LSS. Ésta permite obtener con exactitud las cotas en los parámetros cosmológicos, al tiempo que reduce el coste computacional de O(lmax⁶) (cómputo exacto) a O(lmax3). Claramente, el cómputo exacto es inviable para las observaciones futuras de LSS que resolverán escalas muy pequeñas.

La NKA nos ha permitido empezar a estudiar el origen de la tensión en S8 reportada por KiDS-450. Con datos de LSS de DES y del CMB de Planck, pretendemos obtener la evolución temporal de S8 y compararla con la dada por los datos de KiDS-450.

En resumen, esta tesis ha trabajado en modelos de energía oscura y desarrollado métodos precisos para comprobar su viabilidad de manera eficiente. Además, se ha acercado a los datos y desarrollado la NKA que permite estimar precisamente la likelihood para LSS; permitiéndonos estudiar el origen de la tensión en el parámetro S8.