Proving the early universe with gravitational waves

El objetivo de esta investigación es estudiar los procesos físicos del Universo primitivo utilizando las ondas gravitacionales como principal herramienta observacional, con especial énfasis en la inflación, los agujeros negros primordiales (primordial black holes, PBHs) y sus implicaciones cosmológicas. Dado que las ondas gravitacionales interactúan de manera extremadamente débil con la materia, se propagan casi libremente a lo largo de la historia cósmica y preservan información de las primeras etapas del Universo. Esta propiedad única las convierte en una herramienta extremadamente poderosa para explorar física de altas energías más allá del alcance de las observaciones electromagnéticas convencionales. Uno de los objetivos principales de esta investigación es explorar el papel de los agujeros negros primordiales en el Universo temprano. Los PBHs pueden formarse a partir de grandes fluctuaciones primordiales de densidad y se consideran candidatos viables a materia oscura en ciertos rangos de masa. De existir, los PBHs podrían influir de manera significativa en la evolución térmica y estructural del Universo, así como generar señales observables de ondas gravitacionales a través de la formación y fusión de sistemas binarios. En este proyecto se prestará especial atención a la distribución espacial y a las tasas de fusión de los PBHs. Mientras que numerosos estudios asumen una distribución de Poisson, trabajos recientes sugieren que los PBHs podrían encontrarse fuertemente agrupados, lo que daría lugar a modificaciones sustanciales en las predicciones de las tasas de fusión. Por ello, la incorporación de los efectos de clustering resulta esencial para interpretar correctamente los datos de ondas gravitacionales obtenidos por los detectores actuales y futuros. Además, debido a sus grandes masas y a sus secciones eficaces de interacción extremadamente pequeñas, los sistemas binarios de PBHs son en gran medida insensibles a los efectos ambientales posteriores, lo que les permite conservar información sobre las condiciones físicas existentes en el momento de su formación y ofrecer así una ventana única a la física de altas energías del Universo primitivo. Los agujeros negros primordiales también están estrechamente relacionados con las ondas gravitacionales inducidas por perturbaciones escalares (scalar induced gravitational waves, SIGWs). Las perturbaciones escalares de gran amplitud generadas durante la inflación pueden inducir ondas gravitacionales a segundo orden cuando reingresan en el horizonte, y estas mismas perturbaciones pueden colapsar para formar PBHs. Esto establece un fuerte vínculo teórico entre la formación de PBHs y las SIGWs. Este tipo de señales ha despertado un renovado interés tras las recientes observaciones de un fondo de ondas gravitacionales en la banda de nanohertz por parte de los pulsar timing arrays. Además, los PBHs conectan de manera natural múltiples ventanas observacionales: pueden generar señales de ondas gravitacionales en distintas bandas de frecuencia tanto a través de SIGWs como de fusiones binarias, y también podrían estar asociados a rayos cósmicos de alta energía mediante la radiación de Hawking. Esto convierte a los PBHs en objetivos especialmente atractivos dentro del marco de la astronomía multimensajero. Esta investigación analizará si las SIGWs asociadas a PBHs pueden explicar dichas observaciones, manteniéndose al mismo tiempo en concordancia con el resto de restricciones cosmológicas existentes.