ΛCDM and the implications of the Hubble Tension

Abstract

This thesis is centered around the ideas of exploring the impact of the Hubble and S8 tensions on the Λ - Cold Dark Matter (ΛCDM) cosmological model and suggesting a possible resolution to both of them. We start by performing a review of some of the most basic and necessary aspects of modern ΛCDM Cosmology as well as the aforementioned tensions, and in the following chapters we proceed by proposing a novel transition model as their possible solution. We show that it is possible to exploit an inherent degeneracy of H0 and the dark energy equation of state parameter w that exists in the context of the CMB power spectrum, in order to construct a w(z) parametrization that can superficially address the H0 tension by raising the value of H0. We then propose a Late w-M Transition LwMT model that relies on a transition of the w parameter, as well as the absolute magnitude M parameter to resolve both the Hubble and S8 tensions simultaneously. Next, we study models that use smooth deformation of the Hubble expansion rate H(z) of the Planck18/ΛCDM best fit to raise the value of H0 while keeping consistency with the Planck CMB measurements. In doing so we discover that not only they are unable to resolve the S8, they in fact worsen it. We conclude by searching for hints of the gravitational transition that can be associated with the M transition predicted by the LwMT model. We do that by considering the evolution of Tully-Fisher data and by attempting to constrain the gravitational transition with low-z galaxy data. We find that in both cases hints for a transition of the expected magnitude and redshift appear, although no effective constraints can be derived.

Η διατριβή αυτή επικεντρώνεται γύρω από την διερεύνηση των επιπτώσεων των προβλημάτων της σταθεράς του Hubble και του S8 στο κοσμολογικό μοντέλο Λ - Cold Dark Matter (ΛCDM) και προτείνει έναν πιθανό τρόπο επίλυσής τους. Ξεκινάμε εκτελώντας μια ανασκόπηση μερικών από των πιο βασικών και απαραίτητων πτυχών της σύγχρονης ΛCDM Κοσμολογίας, καθώς επίσης και των προαναφερθέντων προβλημάτων και συνεχίζουμε στα επόμενα κεφάλαια προτείνοντας ενα νέο μοντέλο μετάβασης ως πιθανή λύση τους. ∆είχνουμε ότι είναι δυνατή η χρήση ενός εγγενούς εκφυλισμού του H0 και της παραμέτρου κατάστασης w της καταστατικής εξίσωσης της σκοτεινής ενέργειας που υπάρχει στο πλαίσιο του φάσματος ισχύος CMB, προκειμένου να κατασκευαστεί μια παραμετροποίηση w(z) που μπορεί να αντιμετωπίσει επιφανειακά το πρόβλημα H0 αυξάνοντας την τιμή του H0. Στη συνέχεια προτείνουμε ένα Late w-M Transition LwMT μοντέλο που βασίζεται σε μια μετάβαση της παραμέτρου w, καθώς και της παραμέτρου απόλυτου μεγέθους M για την ταυτόχρονη επίλυση των προβλημάτων Hubble και S8. Έπειτα, μελετάμε μοντέλα που χρησιμοποιούν ομαλή παραμόρφωση του ρυθμού διαστολής Hubble H(z) στα πλαίσια των best-fit του Planck18/ΛCDM για να αυξήσουν την τιμή του H0 διατηρώντας παράλληλα τη συνέπεια με τις CMB μετρήσεις του Planck. Ανακαλύπτουμε ότι αυτα τα μοντέλα όχι μόνο δεν μπορούν να επιλύσουν το πρόβλημα S8, αλλά το χειροτερεύουν. Ολοκληρώνουμε αναζητώντας στοιχεία μιας βαρυτικής μετάβασης η οποία μπορεί να συσχετιστεί με τη μετάβαση M πουπροβλέπεται από το μοντέλο LwMT . Για να το πετύχουμε αυτό εξετάζουμε την εξέλιξη των δεδομένων Tully-Fisher και επιχειρούμε να περιορίσουμε την βαρυτική μετάβαση με χαμηλής ερυθρής μετατόπισης δεδομένα γαλαξιών. ∆ιαπιστώνουμε ότι και στις δύο περιπτώσεις υπάρχουν ενδείξεις για μια βαρυτική μετάβαση με το αναμενόμενο μέγεθος και στην σωστή ερυθρή μετατόπιση, αν και δεν καταφέρνουμε να εξάγουμε κάποιους σαφείς περιορισμούς για αυτή.