Astrophysical signatures of theories with screening mechanisms

Abstract

[EN]The Standard Cosmological Model, ΛCDM, introduces a cosmological constant in order to explain the accelerated expansion of the universe. However, this solution presents theoretical problems, which, together with the possibility that this acceleration is produced by new fields, leads up to the formulation of theoretical alternatives. In particular, we will center our attention on scalar fields. These fields typically couple to matter in such a way that they lead to new forces. In order for these theories to match observational constraints in the Solar System, they must be equipped with screening mechanisms that hide the forces in high-density regions. After reviewing these mechanisms, we will obtain analytical results for the cases of symmetron and chameleon, as well as presenting a numerical approach to compare the solutions. Then, we will go on to study theories with kinetic screening, and we will obtain the equation for the profile of the field for static and non-relativistic sources. Giving the non-linearities of this equation, we will present the irrotational approximation, which simplifies the theoretical calculations, and we will develop a code aimed at finding numerical solutions for the field in general situations. We will center our efforts in the Dirac-Born-Infeld theory, and we will use this code to prove the existence of regions in which the screening breaks down when there is more than one mass. Lastly, we will compare the numerical results to those given by the irrotational approximation, thus checking its validity.

[ES]El Modelo Cosmológico Estándar, ΛCDM, introduce una constante cosmológica para explicar la expansión acelerada del universo. Sin embargo, esto presenta problemas de naturalidad, los cuales, junto con la posibilidad de que esta expansión sea provocada por nuevos campos, llevan a la formulación de alternativas teóricas. En particular, nos centraremos en campos escalares. Estos campos deben acoplarse a la materia de tal manera que conduzcan a nuevas fuerzas. Para que estas teorías sean compatibles con las restricciones observacionales, deben estar equipadas con mecanismos de apantallamiento que escondan las fuerzas en regiones de alta densidad. Después de revisar estos mecanismos, obtendremos resultados analíticos para los casos de symmetron y chameleon, así como presentaremos un enfoque numérico para comparar las soluciones. A continuación, estudiaremos teorías con apantallamiento cinético y obtendremos la ecuación para el perfil del campo para fuentes estáticas y no relativistas. Dada la no linealidad de esta ecuación, presentaremos la aproximación irrotacional, que simplifica los cálculos teóricos, y desarrollaremos un código destinado a encontrar soluciones numéricas para el campo en situaciones generales. Finalmente, centraremos nuestros esfuerzos en la teoría de Dirac-Born-Infeld, y utilizaremos este código para demostrar la existencia de regiones en las que el apantallamiento se rompe en presencia de más de una masa. Por último, compararemos los resultados numéricos con los dados por la aproximación irrotacional, comprobando así su validez.