Beyond the ACDM model: Addressing observational tensions of cosmology with negative and/or oscillating dark energy density
ACDM modeliıniın ötesinde: kozmolojik gözlemsel çatışmaların negatif ve/veya salınan karanlık enerji yoğunluğu ile dizginlenmesi
- Tez No: 892381
- Danışmanlar: PROF. DR. ÖZGÜR AKARSU
- Tez Türü: Doktora
- Konular: Fizik ve Fizik Mühendisliği, Astronomi ve Uzay Bilimleri, Physics and Physics Engineering, Astronomy and Space Sciences
- 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: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: Belirtilmemiş.
Özet
Kozmolojinin standart modeli olan Lambda soğuk karanlık madde ($\Lambda$CDM) modelinin daha gerçekçi bir modelle değiştirilmesi gerektiği görüşü geçtiğimiz yıllarda hızla yaygınlaşmıştır. Teorik fizik bakımından bambaşka bir perspektife ihtiyaç duyabilecek bu yeni modelin, fenomenolojik olarak $\Lambda$CDM modelinden karmaşık da olsa küçük miktarlarda ayrışması beklenir; bunun sebebi, $\Lambda$CDM modelinin hem çok çeşitli astrofiziksel veri setleri ile etkileyici derecede uyumlu olup hem de bazı veriler ile göz ardı edilemeyecek şiddette uyumsuzluklar barındırmasıdır: örneğin, evrenin günümüzdeki genişleme hızını tarif eden $H_0$ parametresindeki gözlemsel çatışma, evrendeki birim madde başına düşen yapı oluşumu miktarını niceleyen $S_8$ parametresindeki gözlemsel çatışma, ve başka daha şiddetsiz uyumsuzluklar mevcuttur. Bu çatışmalar ve uyumsuzlukların gözlemlerdeki sistematik hatalardan kaynaklanmadığını göstermek pek mümkün olmasa da, birbirinden bağımsız gözlem grupları ve yöntemlerle onaylanmış olmaları ve hassaslaşan gözlemler ile daha da ciddileşmiş olmaları $\Lambda$CDM modelinin kaçınılmaz değişimine işaret etmekte. Özel olarak, $H_0$ parametresinin \textit{Planck} kozmik ardalan ışınımı gözlemlerinden $\Lambda$CDM modeli varsayılarak elde edilen değeri $H_0 = 67.36 \pm 0.54$ km s${}^{-1}$ Mpc${}^{-1}$ ile, model varsayımında bulunmadan süpernova mutlak parlaklığının Sefe değişkenleri kullanılarak kalibrasyonuna dayanan SH0ES grubu ölçümü $H_0 = 73.04 \pm 1.04$ km s${}^{-1}$ Mpc${}^{-1}$ arasındaki çatışma, beş standard sapmanın üzerindedir. Benzer şekilde, $S_8$ parametresinin yine \textit{Planck} kozmik ardalan ışınımı gözlemlerinden $\Lambda$CDM modeli varsayılarak elde edilen değeri $S_8=0.834\pm0.016$ ile, zayıf kütleçekimsel merceklenme ve galaksi kümelenmesi gözlemlerinden $\Lambda$CDM modeli varsayılarak elde edilen $S_8=0.766^{+0.020}_{-0.014}$ KiDS-1000 değeri arasındaki çatışma, yaklaşık üç standart sapmadır. Bu tez, $\Lambda$CDM modelinin problemlerini çözecek alternatif modellerin inşası ve incelenmesi üzerinedir. Gözlemsel çatışmalar beklenenden dişli çıkmış, ve $\Lambda$CDM modeline alternatif olarak önerilen çok sayıda modelin hiçbiri tatmin edici çözüm sunamamıştır. Örneğin, $\Lambda$CDM modelinin belki en basit ve doğal genelleştirmeleri olan \textit{timsal} (quintessence) karanlık enerji modelleri $H_0$ problemini daha da kötüleştirmekte, teorik fizik perspektifinden daha şaibeli ama yine basit genelleştirmeleri olan \textit{tayf} (phantom) karanlık enerji modelleri ($w_{\rm DE}<-1$) ise ancak kısmi iyileştirmeler sağlayabilmektedir; dahası, $H_0$ probleminde iyileştirmelere yol açan pek çok model, kalan gözlemsel çatışmalarda kötüleşmelere sebep olmaktadır. Bu kötüleşmelere örnek olarak, $\Lambda$CDM modelinin popüler bir uzantısı olarak görülen erken karanlık enerji (EDE) modelleri veya ilişkili new-EDE modelleri $H_0$ problemini rahatlatsa da $S_8$ problemini kötüleştirmektedir. Yukarıda konu edilen çatışma ve uyumsuzlukların kozmolojik sabitten ayrışan gerçek ya da etkin bir karanlık enerji akışkanı çerçevesinde çözülmesi ancak söz konusu karanlık enerji alışılmadık niteliklere sahip olduğunda mümkün gözükmektedir: geçmişte negatif enerji yoğunluğu ve buna eşlik eden tekil bir hal parametresi, tayf çizgisini kesen bir hal parametresi, salınım yapan bir enerji yoğunluğu ve hal parametresi gibi. Bu tezin konusu, gözlemsel çatışmaları çözerek evreni $\Lambda$CDM modelinden daha iyi tarif edebilecek bir modelin ne tür bir fenomenoloji sergilemesi gerektiğinin araştırılması, böyle bir fenomenolojinin var olmasının temel fizikten ne gibi beklentiler yaratacağının tartışılması, bu tür modeller inşa edilmesi ve inşa edilen modellerin modern istatistiksel araçlarla incelenmesidir. Tez kapsamında yapılan araştırmalarda kullanılan metodoloji analitik matematiksel argümantasyon ve istatistiksel analiz olmak üzere iki ana gruba bölünebilir. Analitik argümanlar, geçmişte negatif değerler alan bir karanlık enerji yoğunluğu ve karanlık enerji yoğunluğu değerindeki salınımlar olmak üzere iki ana niteliğin hangi sebeplerle kozmolojik gözlemlerdeki çatışmaların dizginlenmesini sağladığının, bu niteliklere sahip bir karanlık enerjinin hangi davranışları göstereceğinin ve bunların kozmolojik dinamikleri nasıl etkileyeceğinin incelenmesinde kullanılmıştır. Elde edilen sonuçlardan, $\Lambda$CDM modeline/paradigmasına özgün bir alternatif olarak $\Lambda_{\rm s}$CDM modelinin motivasyonunda ve inşasında istifade edilmiştir. Bu fenomenolojik model, standart kozmolojik sabitin ($\Lambda$) işaret değiştiren bir kozmolojik terimle ($\Lambda_{\rm s}$) değiştirilmesini, yani anti-de Sitter uzayından de Sitter uzayına geçiş yapan bir evren önerir. Geçmişte sabit negatif bir değeri olan bu terim, ani bir şekilde işaret değiştirerek günümüzdeki pozitif değerini (geçmişteki değerin mutlak değerine eşit) alır ve evrenin hızlanarak genişlemesini sağlar; bu terim, etkin olarak enerji yoğunluğu negatiften pozitife geçen bir karanlık enerji yoğunluğuna karşılık gelir. Bu fenomenolojik model, önceden var olan bir tip-II minimal genel görelilik modifikasyonuna gömülerek teorik alt yapı kazanmış, ve bu teorik senaryo $\Lambda_{\rm s}$VCDM olarak adlandırılmıştır. Bunlara paralel olarak, yine analitik argümanlardan elde edilen sonuçlarla, karanlık enerji yoğunluğunun negatiflik ve salınım yapma niteliklerinin tek bir modelde birleştirilmesinin gözlemsel çatışmaların dizginlenmesinde etkin bir senaryo yaratacağı öne sürülmüş, ve bu bağlamda, \textit{koşulsuz-yetkin (omnipotent) karanlık enerji} (KYKE) olarak adlandırılan model sınıflandırması literatüre kazandırılmıştır. Bu sınıflandırmanın gözlemsel çatışmaların dizginlenmesindeki yetkinliği, KYKE sınıfına giren ve önceden var olan DMS20 modelinin analizleri ile desteklenmiştir. Sonunda, bu tez kapsamında $\Lambda_{\rm s}$CDM, DMS20, $\Lambda_{\rm s}$VCDM, ve $\Lambda_{\rm s}$CDM modelinin önceden var olan değişken elektron kütlesi modeli ile kombinasyonu olmak üzere dört kozmolojik senaryonun, gözlemsel analizleri Bayesyen yaklaşımla yürütülmüştür. Temel olarak, modellerin analizinde kullanılan metodoloji şu adımları izlemiştir: modelin kozmolojik gözlemlenebilirlerle ilişkili denklemleri elde edilir, bu denklemler kozmolojik gözlemlerden gelen yaklaşık sınırlamalar altında görselleştirilerek modelin bir ön analizi yapılır ve potansiyel fenomenolojisinin model parametreleri ile ilişkisi incelenir, modelin parametre uzayının kısıtlanabilmesi için alakalı kozmolojik gözlemler (kozmik ardalan ışınımı, baryon akustik salınımları, süpernova mutlak parlaklığı, süpernova görünen parlaklığı, zayıf kütleçekimsel merceklenme vb.) arasından uygun veri setleri seçilir, modern kozmoloji yazılımları kullanarak parametrelerin sonsal dağılımları örneklenir, bu örneklemden parametreler üzerindeki kısıtlar elde edilir ve sonsal dağılımlar görselleştirilir, sonuçlar kozmolojinin gözlemsel çatışmaları ışığında tartışılır. Bu tez kapsamında yürütülen araştırmaların bazı önemli bulguları aşağıdaki gibidir. Lokal enerji korunumunun bir sonucu olan süreklilik denklemine uyan gerçek ya da etkin bir karanlık enerji yoğunluğu, negatiften pozitife geçiş yapıyorsa, bu karanlık enerji yoğunluğunun tekil bir hal parametresi olması gerektiğinin ispatı yapılmıştır. Bunun önemli bir sonucu, literatürde sıklıkla yapılan hal parametresi modellemelerinin gözlemsel çatışmalar açısından önemli bir fenomenolojik sahayı (etkin de olsa negatif yoğunluğuna sahip olabilen bir karanlık enerji) kapsayamıyor olmasıdır. Eğer doğrudan Hubble parametresi modellenirse, gözlemsel verilerin böyle bir modelin $\Lambda$CDM'nin Hubble parametresinden sapmasının belirli bir formu olmasını zorunlu kıldığı gösterilmiştir. Kozmik ardalan ışınımı gözlemleriyle olağanüstü uyum gösteren $\Lambda$CDM modelinden sapan bir Hubble parametresi, eğer $\Lambda$CDM modeliyle aynı $H_0$ değerine sahipse, bu sapma $\Lambda$CDM modelinin Hubble yarıçapının etrafında \textit{geçerli dalgacık} (admissible wavelet) formunda bir salınıma karşılık gelmelidir, aksi takdirde, kozmik ardalan ışınımı ile olan vazgeçilmez uyum kaybolacaktır. Bu dalgacık formundaki fonksiyonların salınım genliği yeterli büyüklükte olduğunda, karanlık enerji yoğunluğunda negatif değerlere de karşılık gelebilmektedirler, ve bu fonksiyonlar başlangıç noktası alınarak çok çeşitli yeni Hubble parametrelerinin inşası mümkündür. KYKE modellerinin aynı anda bünyesinde barındırdığı karanlık enerji yoğunluğundaki negatiflik ve salınım nitelikleri umut verici bir araştırma yönü sunmaktadır. DMS20 modelinin gözlemsel çatışmalarda yaptığı iyileştirmelerde (örneğin, ardalan ışınımı ve süpernova verileri kullanılarak yapılan analizlerde $H_0=73.49 \pm 0.98$ km s${}^{-1}$ Mpc${}^{-1}$ bulunmuştur) bu niteliklerin kooperatif çalıştıkları görülmüştür. Etkin karanlık enerji yoğunluğu salınmayıp yalnızca negatiflik niteliğini bünyesinde barındıran, fakat enerji yoğunluğunun yaptığı ani zıplama ile kendine has bir fenomenoloji sergileyen $\Lambda_{\rm s}$CDM modeli ise standart modelin literatürdeki en sade genişletmelerinden biri olmasına karşın gözlemsel problemlerin çözümünde sıra dışı bir yetkinlik göstermiştir. Bu model, $\Lambda$CDM modelinin üzerine yalnızca tek bir ek parametre olarak kozmolojik sabitin işaret değişim zamanını getirmektedir, ve bu zaman günümüze yeterince yakın olduğunda $H_0$, $S_8$ ve evrenin yaşı ile alakalı gözlemsel problemler tamamen ortadan kalkmakta, Lyman-$\alpha$ baryon akustik salınımı ve evrendeki baryon yoğunluğu ile alakalı anomalilerde ise iyileştirmeler yaşanmaktadır. Böylesine başarılı bir senaryo, kozmolojinin en kabul görmüş veri setleri olan kozmik ardalan ışınımı, süpernova mutlak parlaklığı ve süpernova görünen parlaklığının kombinasyonu tarafından tercih edilse de, bu veri setlerinin dışında kalan tek yerleşik veri seti olan baryon akustik salınımları kombinasyona dahil edildiğinde modelin yetkinliği düşmektedir. Bunun sebebi ise baryon akustik salınımı verisinin bir alt kümesi olan \textit{galaksi BAO} verisinin, kozmolojik sabitteki işaret değişiminin günümüze yeterince yakın bir zamanda olmasına direnç göstermesidir. Not edilmelidir ki, baryon akustik salınımlar veri seti kombinasyonuna dahil edildiğinde bile $\Lambda_{\rm s}$CDM modeli verilere $\Lambda$CDM modelinden daha iyi uyum göstermekte ve Lyman-$\alpha$ baryon akustik salınım ölçümleri ile $\Lambda$CDM modelinin yaşadığı sorunları tamamen ortadan kaldırabilmektedir. Bu oldukça ümit verici sonuçlar fenomenolojik $\Lambda_{\rm s}$CDM modeline teorik bir çerçeve bulmanın önemini ortaya koymuş, $\Lambda_{\rm s}$VCDM modelinin inşası ile de bu gerçekleştirilmiştir. $\Lambda_{\rm s}$VCDM, evrenin genişleme dinamiklerini $\Lambda_{\rm s}$CDM ile tamamen aynı verebilse de, modifiye bir gravitasyon teorisi üzerine kurulu olmasından dolayı pertürbatif seviyede $\Lambda_{\rm s}$CDM modelinden ayrışmakta, ve bu küçük farklılık işaret değişimine yakın zamanlarda belirginleşmektedir. İlgi çekici bir biçimde, bu farklılık, modelin fenomenolojik versiyonundan küçük miktarda da olsa daha iyi performans göstermesine yol açmaktadır. Son olarak, baryon akustik salınım gözlemlerinin, $H_0$ probleminin çözümünün erken evrende aranmasını dikte ettiği literatürde bilinmektedir. Bu yüzden $\Lambda_{\rm s}$CDM modelini, erken evrende zamanla değişen bir elektron kütlesi (bu öneri literatürde önceden mevcuttur) ile tek bir senaryoda birleştirerek gözlemsel sorunları tamamen ortadan kaldıracak bir senaryo kurma girişiminde bulunulmuştur. Naif beklentilerin aksine, tek başlarına gözlemsel çatışmaların dizginlenmesinde umut verici başarı gösteren bu iki model, tek bir senaryoda birleştirildiklerinde antagonist davranış göstermekte ve birleştirilmiş senaryo tekil modellerden daha kötü performans göstermektedir.
Özet (Çeviri)
The standard cosmological paradigm, the Lambda Cold Dark Matter ($\Lambda$CDM) model, despite its prominence in explaining the existing cosmological data, encounters challenges due to inconsistencies observed across various cosmological probes over the past decade. While these observational tensions may stem from systematic errors, their increasing statistical significance with improved observations, and their recurrence through the increased diversity of observations, coupled with the inherent ambiguities surrounding dark energy (DE) and cold dark matter (CDM) in the $\Lambda$CDM model, indicate the necessity of looking for more realistic cosmological models to better elucidate current observations and refine our comprehension of the universe. This thesis explores what kind of phenomenology is necessary for an alternative model to resolve the observational tensions and what would that phenomena imply for fundamental physics; particular attention is paid to the proposal of a dynamical DE whose density attains negative values in the past before becoming positive to drive the present-day acceleration of the Universe, and/or the DE density having an oscillatory behaviour. Moreover, alternative models to $\Lambda$CDM are built and observationally analysed utilizing the state of the art statistical methods. The research conducted within the scope of this thesis extensively use analytical arguments to show in which way the features of having negative values and oscillatory behaviors in the DE density allow a better fit to the available cosmological data, and what are the properties of such a DE source. These arguments are used as a motivation to introduce a new cosmological model/paradigm that replaces the usual cosmological constant of the $\Lambda$CDM model with a sign switching one dubbed $\Lambda_{\rm s}$CDM; later this phenomenological model is promoted to a fully predictive one by embedding it in the theoretical framework of a preexisting type-II minimally modified theory of gravity, and this combination is dubbed $\Lambda_{\rm s}$VCDM. The analytical arguments are also used to introduce a new class of rampant DE models incorporating both of the negative and oscillatory features dubbed \textit{omnipotent dark energy}, and the preexisting DMS20 model in the literature that fits this classification is studied. Four cosmological models, namely, $\Lambda_{\rm s}$CDM, DMS20, $\Lambda_{\rm s}$VCDM, and a combination of $\Lambda_{\rm s}$CDM with the preexisting proposal of a time-varying electron mass, are observationally analyzed using a Bayesian approach. Broadly, the methodology used for analyzing the models consist of the following steps: the equations of the model for the relevant cosmological observables are derived, a preliminary analyses is conducted through plotting these equations with rough constraints from observations to understand the potential phenomenology of the model and how it relates to its parameters, meaningful combinations of robust cosmological data are chosen to constrain the parameter space of the model, state of the art cosmological codes are used to sample from the posterior of the parameters of the model, the parameter constraints and visualisations of the posteriors are constructed from the output samples, the results are discussed in light of the observational tensions. A very brief summary of the conclusions derived from the research conducted within the scope of this thesis is as follows. It is proved that a DE density whose density crosses from negative to positive values has a singular equation of state parameter. It is shown that, under reasonable conditions, any deviations from the Hubble radius of the $\Lambda$CDM model should oscillate in the form of an admissible wavelet in order to preserve the excellent fit of the $\Lambda$CDM model to the cosmic microwave background data. A combination of the two features in the DE density, namely, having oscillations and attaining negative values in the past as exhibited by omnipotent dark energy models, is a promising direction of research in alleviation of the cosmological tensions. Both of these features play an important role in relaxing the cosmological tensions within the DMS20 model. The $\Lambda_{\rm s}$CDM model shows remarkable success in alleviation of a multitude of cosmological tensions including the most major ones when the baryon acoustic oscillations data is not present in the constraining data set. Baryon acoustic oscillations data spoils this success by preferring an earlier time for the sign-switch of the cosmological constant contrary to the rest of the data sets. The $\Lambda_{\rm s}$VCDM model promotes the model to a fully predictive and theoretically viable one, and this new model performs even better observationally albeit this is very marginal. Combination of the $\Lambda_{\rm s}$CDM model with a promising early time modification to $\Lambda$CDM based on a time-varying electron mass do not perform better than the individual models contrary to naive expectations.
Benzer Tezler
- Investigation of crustal deformation related to the earthquake cycle in the Alpine-Himalayan belt using INSAR
Alp-Himalaya Kuşağı'nda deprem döngüsüyle ilişkili kabuk deformasyonunun INSAR yöntemiyle incelenmesi
TOHID NOZAD KHALIL
- Theoretical and observational aspects of inflationary cosmology
Kozmik enflasyona teorik ve gözlemsel bakış açıları
KEMAL AKIN
Yüksek Lisans
İngilizce
2022
İstanbul Teknik ÜniversitesiFizik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Yükleniyor...
- Dynamical Systems Analysis in Cosmology
Dinamik Sistem Analizinin Kozmolojideki Uygulamaları
EZGİ CANAY
Yüksek Lisans
İngilizce
2018
İstanbul Teknik ÜniversitesiFizik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Yükleniyor...
- Borsa İstanbul'da finans dışı şirketlerin finansal ve çevresel etkinlik analizi
Financial and environmental efficiency analysis of non-financial firms in Borsa Istanbul
MESUT KARAMAN
- Beyond the iron ages in the selected works of J. M. Coetzee and Chingiz Aitmatov: History, politics and narrative
J.M. Coetzee ve Cengiz Aytmatov'un bazı eserlerinde demir çağ ötesindeki tarih, politika ve anlatım
MELIKE YILMAZ
