Modern theoretical cosmological models and their observational predictions

Abstract

The recent amazing discoveries in Cosmology, such as the accelerating expansion of the Universe, the detection of gravitational waves and the first images of a black hole, open new windows in the Universe. In the dissertation I deal with some of the most important cosmological issues, in theoretical and experimental level. In first chapter, I present the standard model of Cosmology (ΛCDM), which is based on few parameters and fits the cosmological data with excellent accuracy. Some of the basic components of this model are the cosmological principle, the cosmological constant Λ, the existence of dark matter and the General Relativity. However, the increasing accuracy of cosmological observations indicates some deviations from the ΛCDM model. The bulk of my Thesis is devoted to testing and searching possible deviations from the standard model. Also, I focus on some very interesting subjects, such as the gravitational waves and the spinning particles. In second chapter, I prove that data from supernova type Ia do not violate the cosmological principle. Also, the expansion of the Universe has a preferred axis which is almost in the same direction with the axis of other probes. In third chapter, I test the stability of a dilatonic monopole in the presence of a magnetic field. The monopole (a kind of topological defect) is unstable in every case. In fourth chapter, I explore signatures of scalar particles which are known as axion like particles and chameleons, from experimental data. Also, I focus on a case of quintessence models where scalar fields can stabilize cosmological structures for longer time than the ΛCDM model. In fifth chapter, I analyze experimental data in order to search for new interactions in sub-millimeter scale. I have found that oscillating model for the residual force fits the data better than other models. In sixth chapter, I focus on the evolution of a gravitational wave in the vicinity of a point mass in an expanding background. I have found that the period and the amplitude of the wave increase as the wave approaches the mass. In seventh chapter, I focus on the geodesics of relativistic particles in a phantom cosmological background with expansion in the presence of a mass concentration. In this case the Big Rip singularity occurs earlier than in the Newtonian case. In eighth chapter, I focus on the effects of spin on the trajectories of particles in the vicinity of black holes. In the absence of expansion and spin, the orbits of the particles are circular. If we introduce spin and/or expansion, the orbits get dissociated and the world lines are closed or open. The spin-orbit coupling induces new force, so deviations appear due to spin-orbit coupling and due to expansion. In the last chapter, I present the conclusions of the study performed in this dissertation.

Οι ανακαλύψεις των τελευταίων ετών στην Κοσμολογία, όπως η επιταχυνόμενη διαστολή του σύμπαντος, η ανίχνευση βαρυτικών κυμάτων από συγχώνευση δύο μελανών οπών ή αστέρων νετρονίων και οι πρώτες εικόνες μιας μελανής οπής, έχουν προσελκύσει το ενδιαφέρον των ερευνητών. Στην διδακτορική μου διατριβή διαπραγματεύομαι αντίστοιχα σύγχρονα κοσμολογικά θέματα, τόσο σε θεωρητικό όσο και σε πειραματικό επίπεδο. Στο πρώτο κεφάλαιο παρουσιάζω το καθιερωμένο κοσμολογικό μοντέλο ΛCDM που βασίζεται σε μερικές παραμέτρους και ερμηνεύει με αξιοθαύμαστη ακρίβεια τις κοσμολογικές παρατηρήσεις. Στηρίζεται σε κάποιες βασικές αρχές, όπως η κοσμολογική αρχή, η κοσμολογική σταθερά Λ, η ύπαρξη σκοτεινής ύλης και η γενική θεωρία της σχετικότητας του Einstein. Παρόλα αυτά, η αυξανόμενη ακρίβεια των παρατηρήσεων, κυρίως λόγω βελτίωσης των οργάνων μέτρησης, δημιουργεί ενδείξεις για αποκλίσεις από το καθιερωμένο μοντέλο. Το κυρίως μέρος της διατριβής, που αποτελεί και τον βασικό της στόχο, αφιερώνεται στην αναζήτηση αποκλίσεων από το καθιερωμένο μοντέλο, ενώ γίνεται μελέτη και άλλων ενδιαφερόντων θεμάτων, όπως τα βαρυτικά κύματα και τα σωματίδια με σπιν. Στο δεύτερο κεφάλαιο αποδεικνύω πως δεδομένα από υπερκαινοφανείς αστέρες τύπου Ια δεν παραβιάζουν την κοσμολογική αρχή, αλλά έχουν μέγιστη επιτάχυνση διαστολής σε μία κατεύθυνση, η οποία είναι πολύ κοντά με κατευθύνσεις άλλων παρατηρήσεων. Στο τρίτο κεφάλαιο μελετάω την σταθερότητα των μονοπόλων παρουσία εξωτερικού μαγνητικού πεδίου και αποδεικνύω πως στην περίπτωση αυτή δεν είναι σταθερές δομές. Τα μονόπολα είναι είδος τοπολογικής ανωμαλίας αλλά δεν έχουν παρατηρηθεί ακόμη. Στο τέταρτο κεφάλαιο ασχολούμαι με την μελέτη σωματιδίων που σχετίζονται με την σκοτεινή ενέργεια, όπως βαθμωτά πεδία και τα σωματίδια χαμαιλέοντες. Βαθμωτά πεδία που έρχονται σε σύζευξη με τον ηλεκτρομαγνητισμό σε μοντέλο πεμπτουσίας μπορούν να καθυστερήσουν την εμφάνιση του μεγάλου σπασίματος (Big Crunch). Στο πέμπτο κεφάλαιο αναζητώ μέσα από πειραματικά δεδομένα αποκλίσεις από τον νόμο της βαρύτητας σε αποστάσεις μικρότερες από 1mm. Ταλαντωτικό μοντέλο αλληλεπίδρασης προσαρμόζεται πολύ καλύτερα στα δεδομένα σε σχέση με άλλα μοντέλα. Στο έκτο κεφάλαιο ερευνώ τις αλλαγές σε ένα βαρυτικό κύμα όταν διαδίδεται σε χώρο όπου η βαρύτητα είναι πολύ ισχυρή. Στην προκειμένη περίπτωση, η περίοδος και το πλάτος του κύματος αυξάνονται, καθώς πλησιάζει την μεγάλη μάζα. Στο έβδομο κεφάλαιο καταγράφω τις γεωδαισιακές τροχιές δέσμιων σχετικιστικών σωμάτων γύρω από μία μεγάλη μάζα σε φανταστικό κοσμολογικό υπόβαθρο. Το μεγάλο σχίσιμο (Big Rip) στο οποίο οδηγούνται τα συστήματα αυτά, εμφανίζεται νωρίτερα σχετικιστικά παρά κλασσικά. Στο όγδοο κεφάλαιο μελετάω τροχιές σωματιδίων με σπιν σε ισχυρό βαρυτικό πεδίο που μπορεί να διαστέλλεται με διάφορους ρυθμούς. Εμφανίζεται επιπλέον αλληλεπίδραση μεταξύ σώματος και κεντρικής μάζας λόγω του σπιν. Όταν το σπιν είναι ομόρροπο με την στροφορμή η δύναμη είναι ελκτική, ενώ όταν είναι αντίρροπο, η δύναμη είναι απωστική. Απουσία σπιν και διαστολής οι τροχιές είναι κυκλικές, ενώ η ύπαρξη σπιν ή διαστολής ή των δύο μαζί διαταράσσει την κυκλική τροχιά σε ανοιχτή ή κλειστή κοσμική γραμμή. Στο ένατο κεφάλαιο συνοψίζω τα συμπεράσματα της παρούσας διδακτορικής διατριβής.