Transition dynamic in the LSCDM model: Implications for bound cosmic structures
LSCDM modelinde geçiş dinamikleri: Bağlı yapılar üzerindeki etkileri
- Tez No: 876225
- Danışmanlar: PROF. DR. ÖZGÜR AKARSU
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Fizik ve Fizik Mühendisliği, Physics and Physics Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2024
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Fizik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Fizik Mühendisliği Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: 92
Özet
Geç evrenin hızlanarak genişlemesinin 20. yüzyılın sonlarında keşfedilmesiyle birlikte, $\Lambda$CDM modeli evrenin dinamiklerini sadece altı bağımsız parametre kullanarak açıklayabilen en iyi model haline geldi. Ancak 20 yıl sonra, yüksek hassasiyetli kozmoloji çağı, $\Lambda$CDM modelinde çeşitli istatistiksel düzeylerde birden fazla tutarsızlık ortaya çıkardı. Bunlar arasından en önemlisi, $\Lambda$CDM varsayımı altında Planck Kozmik Mikrodalga Arka Planı tahmini ile SH0ES ekibi tarafından yapılan yerel ölçümler arasında 5$\sigma$ seviyesine ulaşan $H_0$ değerindeki tutarsızlıktır. Bir digeri ise, $\Lambda$CDM çerçevesindeki Planck CMB verilerinden ve KiDS-1000 kozmik kayma ölçümlerinden elde farklı sonuçlarla 3$\sigma$ seviyesine ulaşan $S_8$ gerilimidir. Bu ve diğer bulgular, $\Lambda$CDM modelinin eksik olabileceğini göstermektedir. Bu sorun yakın zamanda literatürde birçok farklı kozmolojik modelin (örneğin, etkileşimli karanlık enerji, erken karanlık enerji vb.) önerilmesine yol açtı. Bununla birlikte, yalnızca birkaç modelin hem $H_0$ hem de $S_8$ gerilimlerine aynı anda çözüm önerdiği bilinmektedir. Bunlar arasında basitliği ile öne çıkan $\Lambda_{\rm s}$CDM modeli, standart $\Lambda$CDM modeline kıyasla yalnızca bir ekstra serbest parametre ekler: $z_{\dagger}$, ve bu parametre kozmolojik sabitin işaretindeki ani bir değişikliğin olduğu kırmızıya kaymayı ifade eder. Model en basit haliyle kozmolojik sabitin negatifden pozitife aniden işaret değiştirerek, $z_{\dagger} \sim 2$'lik bir kırmızıya kaymada günümüz değerine ulaştığını ifade eder (bakınız, $\Lambda_{\rm s} \equiv \Lambda{\rm sgn}[z_{\dagger}-z]$). Araştırmamızın temeli, küresel çöküş modelini kozmolojik sabitin işaret değişiminin ani olduğu $\Lambda_{\rm s}$CDM modeli altında kullanarak yapı oluşumu üzerindeki etkisini incelemek ve bağlı kozmik yapıların doğrusal olmayan evrimini araştırmaktır. Evrenin toplam basıncının sonsuza doğru yakınsadığı ve toplam enerji yoğunluğunun sabit kaldığı $z_{\dagger}$'de kozmolojik sabitin ani işaret değiştirmesi $\Lambda_{\rm s}$CDM modelinde tip II (ani) tekilliğini meydana getirir. Tip II ani tekilliğinden kaçınmak için, kozmolojik sabitin işaret değiştirmesini ``yumuşatmak'' ve bu değişimi sigmoid fonksiyonlar (örneğin, tanh, lojistik) kullanarak tanımlamak mümkündür. Fakat bu yumuşatma modele ek bir parametre ($\sigma$) getireceğinden, bu tezde kozmolojik sabitin işaret değişiminin ani olduğu durumu incelemekle yetineceğiz. Bu aynı zamanda yaptığımız analize fazladan bir parametre eklemeden, yapı oluşumlarının $\Lambda_{\rm s}$CDM modeli için en uç durumdaki davranışını incelememize olanak tanıyacaktır. Analizde kullanılacak parametreleri belirlemek için veri analiz yöntemleri (örneğin, Markov Zincirli Monte Carlo (MZMC)) kullanılabilir. Fakat bu çalışmada parameterlerin asıl değerlerinden ziyade modelin küresel çöküş modelindeki etksini incelemek istediğimizden, daha basit fakat aynı zamanda bir o kadar güçlü olan başka bir yöntem kullanmaya karar verdik. Bu yöntemin temel fikri, Planck gözlemleri tarafından belirlenen ve modelden bağımsız bir parametre olan son saçınım yüzeyindeki ses ufkunun açısal boyutunu, $\theta_s^*$, kullanmaktır. $\Lambda_{\rm s}$CDM erken evreni etkilemediğinden, $\Lambda_{\rm s}$CDM modeli için son saçınım yüzeyindeki eşdoğrusal ses ufkunun $\Lambda$CDM modelindeki değerine eşit olacağını varsayabiliriz. Dolayısıyla, bu iki model için fiziksel yoğunluk parametrelerinin neredeyse eşit olacağı kabul edilebilir. Böylelikle bu parameterlerin $\Lambda$CDM modelinde Planck verisi kullanılarak bulunmuş olan değerlerini alıp $\Lambda_{\rm s}$CDM modelinde kullanabiliriz. Sonuç olarak, Hubble sabiti yalnızca karanlık enerjinin evrimine (parametrizasyonuna) bağlı olacak ve kolayca hesaplanabilecektir. Analizimize toz (soğuk karanlık madde ve baryonlardan oluşan) ve kozmolojik sabit ($\Lambda$) içeren bir evren için küresel çöküş modelini inceleyerek başlıyoruz. Bu evren için, aşırı yoğunluğun evrenin arka plan dinamiğine bağlı olarak nasıl evrildiğini tanımlayan denklemleri türeteceğiz. Ancak kabuk geçişi---ve dolayısıyla geri dönüşten sonra homojenlik ve izotropinin bozulması nedeniyle---, aşırı yoğunluğun dinamiklerini tanımlamak için Friedmann denklemlerini (yani küresel çöküş modeli) kullanamayız. Bu nedenle, yarı-Newtonyan yaklaşıma başvurmalı ve özgünleşme koşulunu kullanarak aşırı yoğunluğun dinamiklerini tanımlamalıyız. Bunula ilgili gerekli denklemleri türettikten sonra, özgünleşme anındaki yoğunluk kontrastını hesaplayabiliriz. Bir sonraki adımda, hesaplamalarımıza $\Lambda_{\rm s}$'in geçişsel etkilerini dahil ederek, küresel çöküş modelini $\Lambda_{\rm s}$CDM için genişleteceğiz. Bu süreci daha net anlamak için tartışmamızı üç bölüme ayırabiliriz. İlk bölümde, pozitif kozmolojik sabitin ($\Lambda_{\rm s} \equiv +\Lambda$) etkisi altında dönüş noktasına giren aşırı yoğunluğun evrimini inceleyeceğiz. İkinci bölümde, negatif kozmolojik sabitin ($\Lambda_{\rm s} \equiv -\Lambda$) etkisi altında dönüş noktasına giren aşırı yoğunluğun dinamiklerini tartışacağız. Üçüncü ve son bölümde, AdS-dS geçişinden önce tamamen özgünleşen kozmik hâleleri tartışacak ve tip II tekilliğin bağli kozmik yapılara etkisini inceleyeceğiz. İlk bakışta, geçiş zamanına bağlı olarak aşırı yoğunluğun farklı şekilde etkileneceği aşikardır. Aşırı yoğunluğun pozitif kozmolojik sabit etkisi altında dönüş noktasına girdiği ilk bölümde, dönüş noktasındaki yoğunluk kontrastı, özellikle daha düşük kırmızıya kaymalarda, Planck/$\Lambda$CDM modelinin tahminlerinden daha fazla olacaktır. Bu esas olarak, eğriliğe bağlıdır. $\Lambda_{\rm s}$CDM modeli daha az madde yoğunluğu öngördüğünden daha yüksek bir eğriliğe neden olur, bu da dönüş noktasında daha yüksek bir yoğunluk kontrastı ile sonuçlanır. İkinci bölümde, negatif kozmolojik sabit etkisi altında dönüş noktasına giren aşırı yoğunluklar, Planck/$\Lambda$CDM tarafından tahmin edilenlerden daha düşük yoğunluk kontrastlarında özgünleşebilirler. Bu gözlem, dönüş noktasındaki negatif kozmolojik sabite atfedilebilir, bu durum ise bu anda daha düşük bir madde yoğunluğu ile sonuçlanır ve bu da dönüş noktasında daha düşük bir eğriliğe yol açar. Sonuç olarak, bu senaryoda, aşırı yoğunluklar azalan madde yoğunluluğu ve eğrilikleri nedeniyle daha büyük bir maksimum fiziksel yarıçapına ulaşırlar. Üçüncü bölümde, geçişten önce özgünleşen bağlı sistemler üzerinde tip II ani tekilliğin etkisini incelemek için yarı-Newtonyan yaklaşım kullanacağız. Ayrıca analizin bu bölümünde, ani tekilliğin bağlı sistemlerin ayrışmasına yol açmadığını göstereceğiz. Çalışmamızı özetlemek gerekirse, $\Lambda_{\rm s}$CDM modelinde yapı oluşumunu etkileyen üç temel etkiden bahsedebiliriz: (i) $z > z_{\dagger}$ için negatif kozmolojik sabit (AdS) fazı, (ii) $z=z_{\dagger}$ de evrenin genişleme hızında ani bir artışa yol açan tip II tekilliğin işaretlediği ani geçiş ve (iii) $z < z_{\dagger}$ için $\Lambda$CDM'ye kıyasla pozitif bir kozmolojik sabit altında geç evrendeki artan genişleme hızı. Kozmik yapıların özgünleşme sürecini ve dolayısıyla madde yoğunluklarının, AdS-dS geçişinin dönüş noktasından önce mi sonra mı meydana geldiğine bağlı olarak değiştiğini söyleyebiliriz. Özellikle, yapılar, geçişin zamanlamasına bağlı olarak Planck/$\Lambda$CDM modeline göre daha yüksek veya daha düşük madde yoğunluğu ile özgünleşirler. Tekillik derin bir doğaya sahip olmasına rağmen, bu tür sistemler üzerinde yalnızca nispeten zayıf etkiler uygular ve bu bağlamda modelin uygulanabilirliğini güçlendirir.
Özet (Çeviri)
We explore the predictions of $\Lambda_{\rm s}$CDM, a novel framework suggesting a rapid anti-de Sitter (AdS) to de Sitter (dS) vacua transition in the late Universe, on bound cosmic structures. In its simplest version, $\Lambda_{\rm s}$ abruptly switches sign from negative to positive, attaining its present-day value at a redshift of ${z_\dagger\sim 2}$ i.e., $\Lambda_{\rm s} \equiv \Lambda{\rm sgn}(z_{\dagger}-z)$. We will show that in the case of an abrupt sign-switching cosmological constant, there occurs a type II (sudden) singularity at the transition redshift, $z_{\dagger}$, where the total pressure of the universe diverges to infinity and the total energy density remains constant and finite. To avoid type II singularity, one can ``smooth-out'' the sudden sign-switch and describe it by using sigmoid functions (e.g., $\tanh$, logistic). However, since this correction would introduce an additional parameter ($\sigma$) to the model, we decided to examine the scenario in which the sign change of the cosmological constant is abrupt. This will also allow us to study the behavior of structure formation in the most extreme case without adding an extra parameter to our analysis. We will start our analysis by studying the spherical collapse model for a universe that contains dust (consisting of cold dark matter and baryons) and cosmological constant ($\Lambda$). For this universe, we will derive the equations describing the dynamics of the overdensity as a function of the background universe. Due to the shell crossing---and consequently the breakdown of the homogeneity and isotropy after the turnaround---, one cannot use the Friedmann equations (i.e., spherical collapse model) to describe the dynamics of the overdensity. Thus, we must refer to the semi-Newtonian approach and use the virialization condition to describe its dynamics. In the next step, we will extend our analysis of the spherical collapse model to include $\Lambda_{\rm s}$CDM, by incorporating the sign-switching cosmological constant ($\Lambda_{\rm s}$) into our calculations. To understand this process more clearly, we will separate our discussion into three parts. In the first part, we will study the evolution of the overdensity, if it enters turnaround under the effect of the positive cosmological constant (i.e., $\Lambda_{\rm s} \equiv +\Lambda$). In the second part, we will discuss the dynamics of the overdensity, if it enters turnaround under the effect of the negative cosmological constant (i.e., $\Lambda_{\rm s} \equiv -\Lambda$). In the third and final part, we will discuss the halos that completely virializes before the AdS-dS transition, and study the effect of the type II singularity on the bounded cosmic structures. At a first glance, it's clear that depending on the time of the transition, the overdensity will be effected differently. In summary, we can identify three primary influences which effects the structure formation in the $\Lambda_{\rm s}$CDM model: (i) the negative cosmological constant (AdS) phase for $z > z_\dagger$, (ii) the abrupt transition marked by a type II (sudden) singularity, leading to a sudden increase in the universe's expansion rate at $z=z_\dagger$, and (iii) an increased expansion rate in the late universe under a positive cosmological constant for $z < z_\dagger$, compared to $\Lambda$CDM. We find that the virialization process of cosmic structures, and consequently their matter overdensity, varies depending on whether the AdS-dS transition precedes or follows the turnaround. Specifically, structures virialize with either increased or reduced matter overdensity compared to the Planck/$\Lambda$CDM model, contingent on the timing of the transition. Despite its profound nature, the singularity exerts only relatively weak effects on such systems, thereby reinforcing the model's viability in this context.
Benzer Tezler
- Karışık ising spin sistemlerinin kinetiği
Kinetics of mixed ising spin systems
MELEK YAVUZ
Yüksek Lisans
Türkçe
2009
Fizik ve Fizik MühendisliğiYıldız Teknik ÜniversitesiFizik Ana Bilim Dalı
YRD. DOÇ. DR. TUNCER KAYA
- Latis malzemelerin enerji emme ve ezilme davranışlarının statik ve dinamik yüklemeler altında incelenmesi
Investigation of energy absorption and crushing behaviors of lattice materials under static and dynamic loads
AKIN KARABATAK
Yüksek Lisans
Türkçe
2023
Makine MühendisliğiTOBB Ekonomi ve Teknoloji ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. CİHAN TEKOĞLU
- Ev tipi ve endüstriyel tip kefir örneklerinde dinamik in vitro gastrointestinal model ile laktik asit bakterilerinin canlılıklarının belirlenmesi
Determination of viability of lactic acid bacteria by dynamic in vitro gastrointestinal model in household and industrial-type kefir samples
MERVE İNCE PALAMUTOĞLU
Doktora
Türkçe
2023
Beslenme ve DiyetetikAcıbadem Mehmet Ali Aydınlar ÜniversitesiBeslenme ve Diyetetik Ana Bilim Dalı
DR. ÖĞR. ÜYESİ GİZEM KÖSE
PROF. DR. MURAT BAŞ
- An integrated computational and experimental approach to allosteric control mechanism of biomolecular processes
Biyomoleküler süreçlerin alosterik kontrol mekanizmasına hesaplamalı ve deneysel entegre bir yaklasım
FİDAN SÜMBÜL
Doktora
İngilizce
2016
BiyofizikBoğaziçi ÜniversitesiKimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. TÜRKAN HALİLOĞLU
- Metin oluşum sürecinde gönderimsel bağdaşıklığın değeri
The Value of cohesion in text production
NİLÜFER GÜLTEKİN