Cosmological implications of scalar tensor theories

Abstract

In this PhD dissertation we study the cosmological consequences of modified theories of gravity. Motivated by the theoretical and observational challenges of the concordance model ΛCDM, we use up to date cosmological data from both geometric and dynamical probes to constrain modified gravity theories and extract the relevant best fit parameters. In particular, we first introduce the reader to the mathematical formalism of standard cosmology and then focusing on one of the two major tensions that ΛCDM faces, we introduce a purely phenomenological parametrization for the evolving Newton's constant and constructing an up to date compilation of growth data we extract its best fit parameters. Then, we study viable modified theories of gravities (such as f(R) and scalar tensor theories) in order to see if they have the potential to support the observed behavior the evolving Newton's constant. Moreover, we examine other cosmological data (such as the low l Cosmic Microwave Background data as well as the Pantheon compilation, i.e. the latest publicly available Type Ia Supenovae compilation that is publicly available) to impose strong constraints on the phenomenological parametrization for the evolving Newton's constant. Next, we study the constraining power (sensitivity) of a wide range of cosmological observables on cosmological parameters, showing that the sensitivity is actually a rapidly varying function of the redshift where the observable is measured and not a monotonically increasing function. In addition, we consider two late time gravitational transition dark energy models that have the ability to simultaneously tackle both the Hubble and growth problems and using the full Cosmic Microwave Background data as well as some other up to date cosmological data, we obtain their quality of fit and compare it with the quality of fit provided by other well studied dark energy models that have been proposed as possible solutions in the literature as well as with the concordance model of standard cosmology. Finally, we study the impact of various modified gravity models in the sub-mm scales using the data of the Washington experiment.

Στην παρούσα Διδακτορική Διατριβή μελετάμε τις κοσμολογικές συνέπειες τροποποιημένων θεωριών βαρύτητας. Ορμώμενοι από τις θεωρητικές και παρατηρησιακές προκλήσεις του καθιερωμένου κοσμολογικού προτύπου ΛCDM, χρησιμοποιούμε πρόσφατες γεωμετρικές και δυναμικές παρατηρήσεις για την ταυτοποίηση χαρακτηριστικών προβλέψεων συγκεκριμένων θεωριών τροποποιημένης βαρύτητας και τον υπολογισμό των αντίστοιχων βέλτιστων τιμών των παραμέτρων τους. Αρχικά, εισάγουμε τον αναγνώστη στον μαθηματικό φορμαλισμό της Κοσμολογίας και έπειτα επικεντρωνόμενοι στη μία από τις δύο παρατηρησιακές ασυμβατότητες που αντιμετωπίζει το ΛCDM, εισάγουμε μία φαινομενολογική παραμετροποίηση για την δυναμικά εξελισσόμενη σταθερά του Νεύτωνα. Κατασκευάζοντας μία εκτεταμένη συλλογή δεδομένων που περιγράφουν Παραμορφώσεις στον Χώρο της Ερυθράς Μετατόπισης, υπολογίζουμε τις βέλτιστες τιμές των παραμέτρων της παραμετροποίησης της δυναμικά εξελισσόμενης σταθεράς του Νεύτωνα και μελετάμε συγκεκριμένες τροποποιημένες θεωρίες βαρύτητας (όπως f(R) και βαθμοτανυστικές θεωρίες βαρύτητας), για να δούμε, εάν μπορούν να υποστηρίξουν την συγκεκριμένη παρατηρήσιμη συμπεριφορά της. Έπειτα, εξετάζουμε και άλλου τύπου παρατηρησιακά δεδομένα (όπως για παράδειγμα δεδομένα Κοσμικής Ακτινοβολίας Υποβάθρου και τα δεδομένα Pantheon, δηλαδή τα πιο πρόσφατα δημοσιευμένα δεδομένα Υπερκαινοφανών Αστέρων Τύπου Ia) για την εύρεση των βέλτιστων τιμών των παραμέτρων της φαινομενολογικής παραμετροποίησης δυναμικά εξελισσόμενης σταθεράς του Νεύτωνα. Στο πλαίσιο της παρούσας Διδακτορικής Διατριβής ερευνήθηκε επιπλέον η ευαισθησία ερευνητικών αποστολών στην ανίχνευση ενός μεγάλου εύρους κοσμολογικών παραμέτρων και αποδείχθηκε οτι η ευαισθησία τους δεν αυξάνει γραμμικά με την τιμή της ερυθράς μετατόπισης, αλλά παρουσιάζει μια μεταβολή ανάλογα με την περιοχή της ερυθράς μετατόπισης που πραγματοποιείται η μέτρηση/ανίχνευση. Ακόμα, μελετήθηκαν μοντέλα σκοτεινής ενέργειας που παρουσιάζουν μια απότομη μεταβολή της απόλυτης λαμπρότητας Μ σε συγκεκριμένη τιμή της ερυθράς μετατόπισης, τα οποία έχουν τη δυνατότητα να λύσουν τις δύο βασικές παρατηρησιακές ασυμβατότητες που αντιμετωπίζει το μοντέλο ΛCDM. Ειδικότερα, υπολογίσαμε την ποιότητα προσαρμογής αυτών των μοντέλων σε διάφορα προσφατα κοσμολογικά δεδομένα (μεταξύ αυτών και τα πλήρη δεδομένα Κοσμικής Ακτινοβολίας Υποβάθρου) και την συγκρίναμε με την ποιότητα προσαρμογής που παρέχει τόσο το μοντέλο ΛCDM, όσο και άλλα εναλλακτικά μοντέλα σκοτεινής ενέργειας που έχουν προταθεί στη βιβλιογραφία ως λύσεις των παρατηρούμενων ασυμβατοτήτων στο πλαίσιο του μοντέλου ΛCDM. Τέλος, μελετήθηκαν οι επιπτώσεις παραμετροποιήσεων που προκύπτουν από τροποποιημένες θεωρίες βαρύτητας στις κλίμακες χιλιοστού, με την αξιοποίηση δεδομένων του πειράματος Washington.