Responsable: JORGE LUIS CERVANTES COTA

Objetivos:

1. Desarrollo de códigos SPH para su aplicación en sistemas astrofísicos y cosmológicos.
2. Investigar soluciones cosmológicas posibles en teorías escalar tensoriales, mundos branas y teorías f(R), inflación, reheating, bariogénesis, nucleosíntesis, oscilaciones acústicas del plasma primigenio, formación de estructura y modelos del universo.
3. Determinar límites de validez de las teorías mediante la contraposición de mediciones astronómicas como las del satélite WMAP con las predicciones teóricas.
4. Estudiar problemas relacionados con el proceso de formación de las estrellas y su evolución, incluyendo pérdida de masa y el efecto de la rotación.

Antecedentes:

El presente proyecto es continuación del proyecto realizado en los últimos tres años, el cual plantea el estudio de diversos problemas astrofísicos, cosmológicos, y algunas aplicaciones de dinámica de fluidos en ciencia e ingeniería. La idea general es aplicar técnicas teóricas y numéricas para el estudio de las propiedades del universo temprano (inflación, reheating, bariogénesis, nucleosíntesis, oscilaciones acústicas del plasma primigenio), formación de estructura y modelos del universo tardío, tales como quintaesencia. Dichos estudios se realizan en el contexto del modelo estándar de cosmología y del modelo estándar de partículas, pero también en modelos y teorías alternativas como teorías escalares-tensoriales, modelos efectivos de cuerdas y f(R). Algo importante es la comparación de los resultados con las observaciones, tanto a nivel astrofísico y cosmológico, como con resultados de los laboratorios de altas energías. Dicha comparación nos lleva a validar o desechar entre los diferentes escenarios y modelos teóricos considerados. Las técnicas empleadas en los problemas mencionados se aplican también a la solución de diversos problemas de dinámica de fluidos: flujo en tuberías, en cavidades cerradas y estudio de fluidos complejos.

Logros Obtenidos:

Se realizaron investigaciones de fenómenos en astrofísica, cosmología y aplicaciones a sistemas fluidos. Los sistemas en astrofísica de nuestro interés son estrellas, galaxias, cúmulos de galaxias y el universo. Por otro lado, los sistemas fluidos son flujos en cavidades o canales, dispersión de contaminantes en la atmósfera y sistemas de mezclas binarias de gases nobles, entre otros. Todos estos sistemas tienen en común que se pueden modelar con métodos de N-cuerpos, por lo que pueden ser estudiados numéricamente con una metodología única. Por supuesto que cada sistema en específico tiene su teoría básica, la cual se traduce en un sistema de ecuaciones diferenciales parciales. En el 2011 hemos avanzado en esta metodología y ha sido traducida a códigos numéricos, los cuales han sido paralelizados. Se han hecho asimismo avances en las teorías fundamentales que describen estos sistemas en particular. Enseguida se hace una breve descripción de las aplicaciones de estos logros.

1. Colapso y fragmentación de nubes rotantes protoestelares.

Se estudiaron los mecanismos que pueden producir que una nube molecular interestelar colapse y se fragmente en un sistema binario o múltiple de estrellas. Se realizaron dos estudios, el primero fue considerando una nube aislada con un perfil de densidad tipo Plummer, rotación rígida, perturbación del tipo m=2 con una amplitud de 0.1 y un determinado valor para la razón (alfa) de la energía térmica a la gravitación y la razón (beta) de la energía rotacional a la gravitacional. Se estudió la dependencia de los resultados del colapso a los parámetros descritos, en particular la formación de sistemas múltiples. También se obtuvieron las propiedades integrales de los fragmentos resultantes, con lo que se puede determinar la posible evolución futura del sistema. Como resultado de este trabajo se publicó el artículo de la ref. 6. Hubo dos estudiantes involucrados en estos estudios, de los cuales uno ya se graduó de maestría (Miguel Zavala) y el otro está en proceso de obtener su doctorado (Fernando Gómez).

En un segundo estudio, se consideró la colisión de dos nubes moleculares con velocidades de impacto que van desde pequeñas hasta 30 veces la velocidad local del sonido de las nubes. Para bajas velocidades de impacto el sistema es globalmente ligado, pero no lo es para altas velocidades. La evolución inicial del sistema es muy interesante porque se generan vórtices y diversas inestabilidades. Después de cierto tiempo el sistema finalmente empieza a colapsar, se inhiben las inestabilidades y comienza el proceso de fragmentación. Algunos sistemas logran colapsar y fragmentar a pesar de que el sistema es inicialmente globalmente no ligado. 

2. Evolución de primeras estrellas muy masivas.

Las primeras estrellas son formadas después de la época conocida como la recombinación del universo, pero antes de la formación de las galaxias. Sus dos características más importantes son que son masivas y que contienen una cantidad muy baja de elementos pesados, lo que las hace más compactas, calientes y luminosas. Continuamos con el estudio de la evolución de estas estrellas sin y con pérdida de masa, para lo cual se actualizó la física incluida en el código numérico, en particular la opacidad y las tasas de reacciones nucleares. Con la nueva física se hicieron los estudios descritos. Algo interesante que también se encontró es que la evolución teórica de estas estrellas depende significativamente de la física utilizada. Se realizó un estudio separado para estudiar la dependencia de la evolución en la opacidad y tasa de reacciones nucleares. Además, se desarrolló un nuevo formalismo para estudiar la formación de estrellas masivas por acreción. Este trabajo fue publicado en la ref. 7.

3. Análisis de resultados de experimentos de impacto en astrofísica y cosmología.

Se analizaron los datos de supernovas tipo Ia llamados UNION II y WMAP y se aplicaron a un modelo con acoplamiento entre bariones y energía oscura. Se calculó la cosmología del fondo cósmico y a primer orden en las perturbaciones del fluido bariónico y campo escalar. Los resultados fueron exitosos, sin necesidad de introducir materia oscura. También se aplicaron estos datos al considerar que la materia y energía oscuras componen un único fluido oscuro. Estos resultados fueron publicados en dos artículos, como se menciona en la referencias 1 y 11. También se analizaron los datos de galaxias del catálogo The HI Nearby Galaxy Survey (THINGS), lo cual sirvió para la publicación del artículo de la referencia 17.

4.     Análisis de aspectos teóricos de teorías escalar-tensoriales, de cuerdas y f(R).

Junto con el estudiante Alejandro Avilés Cervantes, se estudió la evolución de las perturbaciones en modelos teóricos, tanto con interacción entre bariones y energía oscura (refs. 1 y 11), como en modelos en los que el término cinético del campo escalar es no trivial (ref. 2). En ambos casos se pudo reproducir una dinámica adecuada de la cosmología de fondo y a nivel perturbativo. Por otro lado, se analizó a nivel perturbativo el problema de la degeneración oscura, es decir, como es que los efectos observacionales de un conjunto de fluidos son iguales al de uno sólo, dada la universalidad de la fuerza gravitacional. Por otro lado, se analizaron las consecuencias en los parámetros cosmológicos al introducir términos nuevos de energía oscura provenientes de teorías modificadas de la gravedad. En particular, se estudió cómo cambia la escala de las oscilaciones acústicas de bariones (BAO, en inglés). En este tema se graduó Mario Alberto Gómez Ramírez, estudiante de maestría, y se delimitaron parámetros de una nueva ecuación de estado de la energía que contiene siete parámetros. En este último tema trabaja el estudiante Josué de Santiago Sanabria. Se desarrolló además una teoría fundamental sobre la inercia de los cuerpos en movimiento, estableciendo los vínculos con la teoría electromagnética. Los resultados se publicaron en la ref. 3.

5.     Predicciones astrofísicas y cosmológicas de teorías escalar-tensoriales y f(R).

Se realizaron estudios de las curvas de rotación en el modelo de Materia Oscura Acoplada (Bound Dark Matter) y se hicieron predicciones sobre sus posibles consecuencias tanto a nivel microscópico (e.g. transiciones de fase en energías de 0.1 eV), como a nivel astrofísico (encontrando un núcleo en las galaxias espirales), como lo muestra la ref. 17. Por otro lado, se encontraron las huellas posibles en el espectro de la radiación cósmica de fondo debido a hipotéticas interacciones de bariones con componentes oscuros (materia o energía oscuras). Además, se estudió el papel que juegan los campos escalares acoplados mínima (refs. 5 y 10) y no mínimamente (ref. 9) con la geometría, en la formación de estructura de gran escala en el universo, obteniéndose por ejemplo el espectro de potencias para diferentes valores de los parámetros que aparecen en esta clase de modelos de materia oscura. También se hicieron ajustes a curvas de rotación de galaxias espirales, de tal manera que se pudo hacer estimaciones de los parámetros de campo escalar, tales como su masa.

6.     Implementación de métodos numéricos en cosmología y astrofísica.

Se desarrollaron códigos numéricos generales de N-cuerpos para hacer simulaciones de gran escala y de dinámica galáctica en los cuales se implementaron algunos modelos de materia oscura. Además, se implementaron fuerzas que dependen de potenciales de tres cuerpos. Por otro lado, se modificaron los códigos públicos CAMB y COSMOMC para incluir la física descrita por teorías alternativas de la gravedad, mencionada en el punto 4. En particular se modificaron las ecuaciones de perturbaciones cosmológicas y las expresiones del factor de Hubble como función de la energía oscura modificada. Todos los estudiantes en el área de cosmología estuvieron involucrados en estas modificaciones. Por otro lado, la estudiante María del Rayo Chávez desarrolla códigos de N-cuerpos con interacción de tres cuerpos como parte de su tesis de maestría.

Publicaciones

Artículos en revistas

1. Dark matter from dark energy-baryonic matter couplings. Alejandro Avilés, Jorge L. Cervantes Cota. Phys. Rev. D 83, 023510 (2011).
2. Generalizing a unified model of dark matter, dark energy, and inflation with a noncanonical kinetic term. Josué De-Santiago, Jorge L. Cervantes-Cota. Phys. Rev. D 83, 063502 (2011).
3. On the inertia and generatization of Coulomb’s law. Leandro Melendez Lugo. Physics Essays Volumen 24, págs. 345-49 (2011).
4. Los más grandes misterios de la física contemporánea: materia y energía oscura en el universo. Jorge L. Cervantes-Cota, Bol. Soc. Méx. Fís. Volumen 25, no. 2, págs. 91-102 (2011).
5. Jeans’ instability analysis of scalar field halos. A. Hernández-Almada, M.A. Rodríguez-Meza, T. Matos. AIP Conf. Proc. Vol. 1396, pags. 196-201 (2011).
6. Collapse and fragmentation of Gaussian barotropic protostellar clouds. F. Gómez-Ramírez, J. Klapp, Jorge L. Cervantes-Cota, G. Arreaga-García, D. Bahena, pp. 203-211, libro “Experimental and Theoretical Advances in Fluid Dynamics”, Eds. J. Klapp, A. Cros, O. Velasco, C. Stern y M.A. Rodríguez–Meza, 2011, Environmental Science and Engineering, Environmental Science subseries, Springer Verlag (ISBN-10: 3642179576; ISBN-13: 978-3-642-17957-0).
7. Formation of Massive Stars by Runaway Accretion. Sigalotti, L. D., Klapp, J., pp. 53-67, libro “Experimental and Theoretical Advances in Fluid Dynamics”, Eds. J. Klapp, A. Cros, O. Velasco, C. Stern y M.A. Rodríguez–Meza, 2011, Environmental Science and Engineering, Environmental Science subseries, Springer Verlag (ISBN-10: 3642179576; ISBN-13: 978-3-642-17957-0).
8. Gas cloud collisions and stellar cluster formation. Klapp, J., Arreaga García, G., pp. 193-201, libro “Experimental and Theoretical Advances in Fluid Dynamics”, Eds. J. Klapp, A. Cros, O. Velasco, C. Stern, M.A. Rodríguez–Meza, 2011, Environmental Science and Engineering, Environmental Science subseries, Springer Verlag (ISBN-10: 3642179576; ISBN-13: 978-3-642-17957-0).
9. The Role of a Scalar Dark Matter Model in the Large Scale Structure Formation in the Universe. M.A. Rodríguez-Meza, pp. 81-101, libro “Experimental and Theoretical Advances in Fluid Dynamics”, Eds. J. Klapp, A. Cros, O. Velasco, C. Stern y M.A. Rodríguez–Meza, 2011, Environmental Science and Engineering, Environmental Science subseries, Springer Verlag (ISBN-10: 3642179576; ISBN-13: 978-3-642-17957-0).
10. A Hydrodynamic Model of Galactic Halos. M.A. Rodríguez-Meza, A. Hernández-Almada, T. Matos, pp. 213-225, libro “Experimental and Theoretical Advances in Fluid Dynamics”, Eds. J. Klapp, A. Cros, O. Velasco, C. Stern, M.A. Rodríguez–Meza, 2011, Environmental Science and Engineering, Environmental Science subseries, Springer Verlag (ISBN-10: 3642179576; ISBN-13: 978-3-642-17957-0).
11. The dark degeneracy and interacting cosmic components. Autores: Alejandro Avilés, Jorge L. Cervantes Cota. Phys. Rev. D 84, 083515 (2011).
12. Reporte “The BigBOSS Experiment Report. White Paper”, participación en el propuesta de la colaboración internacional “BigBoss telescope”. http://arxiv.org/abs/1106.1706, junio 9 de 2011.
13. Cosmology today- A brief Review. Jorge L. Cervantes-Cota, George Smoot, en VIII Workshop Of The Gravitation And Mathematical Physics Division Of The Mexican Physical Society, AIP Conf. Proc. Vol. 1396, pags. 28-52 (2011).
14. Buenaventura Suárez, S.J. (1679-1750) Part I: Telescope maker, Jovian satellites Observer. S. Galindo, M.A. Rodríguez-Meza, Rev. Mex. Fis. E 57, 121-132 (2011).
15. Buenaventura Suárez, S.J. (1679-1750) Part II: His Book, Lunario. S. Galindo, M.A. Rodríguez-Meza, Rev. Mex. Fis. E 57, 144-151 (2011).
16. Método de N-cuerpos en astrofísica. M.A. Rodríguez-Meza, en libro Métodos Numéricos en Astrofísica. Editado por: M.A. Rodríguez-Meza, J. Suárez-Cansino, T. Matos. (Innovación Editorial Lagares, México, D.F., 2011). ISBN: 978-607-410-158-4.
17. Galactic Phase Transition at E_c= 0.11 eV from Rotation Curves of Cored LSB and nonperturbative Dark Matter Mass. Axel de la Macorra, Jorge Mastache, Jorge L. Cervantes-Cota, Rapid Communication en Phys. Rev. D 84, 121301(R) (2011).

Libros editados

1      Métodos Numéricos en Astrofísica. Editado por: M.A. Rodríguez-Meza, J. Suárez-Cansino, T. Matos (Innovación Editorial Lagares, México, D.F., 2011). ISBN: 978-607-410-158-4.

2      Experimental and Theoretical Advances in Fluid Dynamics. Editado por J. Klapp, A. Cros, O. Velasco, C. Stern, M.A. Rodríguez-Meza. Series: Enviromental Sciencies and Engineering Series. Springer-Verlag, New York, 2011. ISBN: 978-3-642-12957-0, e-ISBN: 978-3-642-17958-7, DOI 10.1007/978-3-642-17958-7.

Presentación en congresos y conferencias

1. Jorge Cervantes, Testing dark matter halos using rotation curves and lensing, en Escuela Internacional de Cosmología en la Playa, realizada en Puerto Vallarta, México. Enero 2011.
2. M.A. Rodríguez-Meza, Simulaciones N-cuerpos de galaxias con sus halos: ¿Cómo tratar el caso de halos de materia oscura escalar? Plática invitada en el Taller de Campos Escalares en Cosmología. 11 y 12 de abril de 2011. Unidad de Seminarios Ignacio Chávez, Viveros Altos de la UNAM. C.U.
3. M.A. Rodríguez-Meza, Mathematica en la Ciencia. Plática Invitada, en el XVIII Evento Nacional de Ciencias Básicas de los Institutos Tecnológicos. Instituto Tecnológico de Puebla. 12 de abril 2011.
4. Jorge Cervantes, Constraining interacting fluids with CMBR and the Power spectrum. Reunión de trabajo del experimento BigBoss llevada a cabo del 13-16 de septiembre del 2011 en Tucson, USA.
5. M.R. Chávez-Castillo, M.A. Rodríguez-Meza, L. Meza-Montes, Función de distribución radial del siliceno. LIV Congreso Nacional de Física de la SMF. Mérida, Yuc. 9-14 de octubre de 2011.
6. Jorge Cervantes. Generalizando un modelo unificado de materia oscura, energía oscura e inflación con términos cinéticos no-canónicos. Plática en el “IX Taller División de Gravitación y Física Matemática de la Sociedad Mexicana de Física”; llevado a cabo en Colima, Colima del 28 de noviembre al 2 de diciembre 2011.
7. M.A. Rodríguez-Meza, Halos de materia oscura escalar y su papel en la formación de estructura en el Universo. IX Taller de la División de Gravitación y Física Matemática de la SMF, Universidad de Colima, 28 noviembre-2 de diciembre 2011.

Formación de Recursos Humanos

1. Mario Alberto Gómez Ramírez se graduó de maestría en el postgrado de ciencias físicas de la UNAM, con el tema Oscilaciones acústicas de bariones en modelos de gravedad modificada. Fecha de examen: 30 de agosto de 2011. Asesor: Jorge Cervantes.
2. Miguel Zavala Ake del postgrado de ciencias físicas de la Universidad Nacional Autónoma de México presentó su examen de maestría el 28 de octubre de 2011 con la tesis titulada Colapso y acreción en núcleos de nubes moleculares rotantes. Asesor: Jaime Klapp.
3. Roberto González Galán. Universidad Autónoma del Estado de México (Programa ININ-UAEM), trabaja en la tesis: Decaimiento y difusión de radionúclidos en medios porosos. Fecha estimada de terminación: abril de 2012. Asesor: Jaime Klapp.
4. Alejandro Avilés Cervantes, doctorado en física, título por definir, postgrado en ciencias físicas de la UNAM, 4^o año de doctorado. Asesor: Jorge Cervantes.
5. Josué de Santiago Sanabria, doctorado en física, título: Formulación de modelos unificados de materia oscura, energía oscura e inflación, postgrado en ciencias físicas de la UNAM, 4^o año de doctorado. Asesor: Jorge Cervantes.
6. Fernando Gómez Ramírez. Colapso y fragmentación de nubes moleculares en distintas épocas del universo, Facultad de Ciencias UAEM. Tesis en proceso con fecha estimada de terminación agosto de 2012. Asesores: Jaime Klapp y Jorge Cervantes.
7. Diyadin Can, tesis de doctorado Infrared corrections to General Relativity as an alternative to dark matter and dark energy, Universidad de Estambul, Turquía. Trabajo en proceso con fecha estimada de terminación julio de 2012. Asesor: Jorge Cervantes.
8. Aztlán Elohim Bastarrachea Almodovar, titulo por definir, postgrado en ciencias físicas, UNAM. Segundo año de maestría. Asesor: Jorge Cervantes.
9. Mario Alberto Gómez Ramírez, título por definir, postgrado en ciencias físicas, UNAM. Primer año del doctorado. Asesor: Jorge Cervantes.
10. María del Rayo Chávez Castillo, Maestría en Física del Instituto de Física, Benemérita Universidad Autónoma de Puebla. Primer año. Asesor: M.A. Rodríguez-Meza.

Aplicaciones:

Con este proyecto se dio impulso a la investigación científica en las áreas de física de campos, gravitación, astrofísica y cosmología, publicándose varios artículos de investigación en revistas de circulación internacional. El proyecto contempló el desarrollo de esquemas teóricos y aplicados de utilidad para el avance de la ciencia e ingeniería. En particular, las adecuaciones a los códigos numéricos de dinámica de fluidos se pudieron aplicar a problemas concretos de fluidos, en varias áreas de las ingenierías (flujo en tuberías, dispersión de contaminantes, entre otros). 

Por otro lado, el proyecto incluyó la formación de varios estudiantes de licenciatura, maestría y doctorado adscritos a diversas instituciones educativas del país.

Vinculación:

A lo largo del proyecto, se tuvo relación con especialistas de las siguientes instituciones:

UNAM: Instituto de Física, Instituto de Ciencias Nucleares, Instituto de Astronomía; CINVESTAV; Instituto de Física de la Universidad Autónoma de Puebla; Universidad Iberoamericana; UAM Iztapalapa; Universidad de Sonora; Berkeley Center for Cosmological Physics, del Lawrence Berkeley National Lab.; Universidad de California, Berkeley; Instituto Venezolano de Investigaciones Científicas; Universidad de Heidelberg.