Modern theoretical cosmological models and their observational predictions
Authors: Αντωνίου Ιωάννης 
Published: September 2021

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.