The properties of virialized dark matter halos: signals from the large scale structures

Resumen

Los halos de materia oscura componen el esqueleto cósmico del Universo observado. Entender su dinámica interna es esencial para comprender su influencia en la formación y evolución de las galaxias. En esta memoria de tesis analizo la distribución interna de la materia oscura en estas estructuras y estudio en ellos algunas magnitudes dinámicas de interés usando simulaciones cosmológicas de alta resolución. La distribución en el espacio de las fases de la materia que forma un halo de materia oscura muestra claros patrones cinemáticos que dependen de la masa del halo, confirmando previos análisis. Estos rasgos se usan aquí para cuantificar la cantidad de materia perteneciente al halo analizando las capas esféricas más internas, en las que la velocidad radial neta es nula. En promedio, la masa de los halos de materia oscura, que suele caracterizarse como la masa contenida en una esfera centrada en el halo tal que encierra una sobredensidad 340 veces mayor que la densidad de materia del Universo (esta definición es lo que normalmente se conoce como "masa virial"), es similar a la que se obtiene usando la definición cinemática de masa que se propone aquí, si bien existe una dispersión alrededor del promedio no despreciable. No obstante, se puede concluir que la masa de los halos con masa similar a la Vía Láctea está típicamente subestimada, pudiendo ser hasta un 70% mayor que la masa virial, y su tamaño incluso un factor 3 mayor que el radio virial. Las estimaciones analíticas que usan las ecuaciones de Jeans bajo la aproximación de no evolución temporal muestran que las velocidades circulares están bien reproducidas por estas estimaciones a cualquier distancia radial, siempre que no exista un flujo neto de materia hacia dentro o hacia fuera a dicha distancia. También presento una aproximación analítica para el perfil de densidad promedio en halos de materia oscura en el modelo cosmológico LCDM con una precisión de un 10-15% incluso a grandes distancias radiales, válida desde 0.05 hasta 10 radios viriales y para masas de halos comprendidas entre 10^11.5 y 10^15.0 masas solares. La forma funcional propuesta es una modificación de la aproximación de Navarro, Frenk & White (NFW): rho(r) = rho_NFW(r) + A (r/Rvir)^(-1) + B(1 + r/Rvir)^(-1) + rho_matter. Como aplicación práctica, hago uso de esta nueva aproximación para estudiar el efecto lente gravitacional débil y también para obtener una expresión analítica para el shear tangencial. Esto permite cuantificar la contribución al shear de las regiones más externas del perfil de densidad de los halos de materia oscura. En la segunda parte de esta memoria muestro la contribución que se espera en el cielo en rayos gamma debido a la auto-aniquilación de partículas de materia oscura en el escenario usual de Física de Partículas donde el neutralino (partícula supersimétrica) es un fuerte candidato para constituir la materia oscura no bariónica. La distribución de grandes estructuras más allá del radio virial del halo de la Vía Láctea es obtenida a partir de simulaciones restringidas del Universo Local, que toman ventaja del hecho de que las estructuras grandes están menos afectadas por evolución no-lineal y por tanto pueden ser mejor restringidas en las condiciones iniciales de la simulación cosmológica. A pesar del gran número de estudios centrados hasta ahora en la componente galáctica, encuentro que Fermi podría detectar también emisión de rayos gamma provenientes de grandes estructuras extragalácticas como filamentos y cúmulos cercanos (principalmente Virgo y Coma), en particular para modelos en los que la materia oscura se desintegra de forma que sea capaz de explicar el exceso de positrones medido por la sonda PAMELA. Este resultado convierte a los cúmulos de galaxias y filamentos cercanos en objetivos interesantes (a pesar de su menor cociente masa-luminosidad si se compara con las galaxias enanas descubiertas recientemente por SDSS) para ser observados por telescopios Cherenkov como MAGIC, que también persigue la detección indirecta de la materia oscura. También exploro la posibilidad de un origen local para los rayos cósmicos ultraenergéticos (UHECRs, por su acrónimo en inglés), que viene motivada por evidencias observacionales de una composición mixta en el espectro de los rayos cósmicos en el límite de altas energías. Usando el catálogo de Karachentsev et al. que incluye galaxias cercanas con distancias menores que 10Mpc (es decir, pertenecientes al Volumen Local), cuantificamos su correlación con la muestra de UHECRs publicados hasta ahora por la colaboración Pierre Auger. Las galaxias cercanas con D<10Mpc resultan mostrar una correlación con los UHECRs similar a la que se obtiene con otros objetos astrofísicos cuya capacidad de acelerar partículas es más conocida, como es el caso de los núcleos de galaxias activas. Al igual que se muestra en esta memoria de tesis, un gran número de recientes avances teóricos y experimentales están ofreciendo grandes expectativas para la detección y determinación de la partícula que constituye la materia oscura en un futuro cercano.