Cosmological and astrophysical observables from field theory in curved backgrounds

Abstract

El marco de la teoría del campo efectivo ha proporcionado valiosos conocimientos necesarios para comprender la evolución de los sistemas físicos a diferentes escalas de energía. En particular, cuando se comparan los fenómenos cercanos al equilibrio a escalas astrofísicas con efectos a distancias cosmológicas. El objetivo de esta tesis es introducir herramientas útiles para la evaluación de (a) la consistencia observacional de una teoría de campo efectivo de la gravedad, y (b) las modificaciones potenciales de las teorías, equipadas con invariancia de difeomorfismo. Calculamos la evolución de observables gravitatorios relevantes en configuraciones de campo del universo temprano, y también en teorías efectivas modificadas por contribuciones de términos de curvatura superior o efectos semiclásicos comprobables a escalas astrofísicas. Para ello, desarrollamos rutinas numéricas eficientes para resolver las funciones dinámicas de correlación de dos puntos de las fluctuaciones primordiales en cosmologías inflacionarias y de rebote, la acreción de campos escalares y la curvatura del espaciotiempo en gravedad modificada, y la evolución de los procesos de dispersión que implican radiación escalar y gravitatoria. Además, investigamos la viabilidad de definir cantidades invariantes gauge en teorías de la gravedad, donde las coordenadas canónicas se deforman para incorporar grados de libertad extra.

The framework of effective field theory has provided valuable insights needed to understand the evolution of physical systems at different energy scales. In particular, when comparing the near-equilibrium phenomena at astrophysical scales with effects at cosmological distances. The objective of this thesis is to introduce useful tools for the evaluation of (a) the observational consistency of an effective field theory of gravity, and (b) the potential modifications of theories, equipped with diffeomorphism invariance. We calculate the evolution of gravitational observables relevant in early universe field configurations, and also in effective theories modified by contributions from higher curvature terms or semiclassical effects testable at astrophysical scales. To do so, we develop efficient numerical routines to resolve the dynamic two-point correlation functions of primordial fluctuations in inflationary and bouncing cosmologies, the accretion of scalar fields and spacetime curvature in modified gravity, and the evolution of scattering processes involving scalar and gravitational radiation. Additionally, we investigate the viability of defining gauge-invariant quantities in theories of gravity, where the canonical coordinates are deformed to incorporate extra degrees of freedom.