Beyond the Cosmological Principle

Abstract

Simplifying the Einstein field equation by assuming the cosmological principle yields a set of differential equations which governs the dynamics of the universe as described in the cosmological standard model. The cosmological principle assumes the space appears the same everywhere and in every direction and moreover, the principle has earned its position as a fundamental assumption in cosmology by being compatible with the observations of the 20th century. It was not until the current century when observations in cosmological scales showed significant deviation from isotropy and homogeneity implying the violation of the principle. Among these observations are the inconsistency between local and non-local Hubble parameter evaluations, baryon acoustic features of the Lyman-α forest and the anomalies of the cosmic microwave background radiation. As a consequence, cosmological models beyond the cosmological principle have been studied vastly; after all, the principle is a hypothesis and as such should frequently be tested as any other assumption in physics.

In this thesis, the effects of inhomogeneity and anisotropy, arising as a consequence of discarding the cosmological principle, is investigated. The geometry and matter content of the universe becomes more cumbersome and the resulting effects on the Einstein field equation is introduced. The cosmological standard model and its issues, both fundamental and observational are presented. Particular interest is given to the local Hubble parameter, supernova explosion, baryon acoustic oscillation, and cosmic microwave background observations and the cosmological constant problems. Explored and proposed resolutions emerging by violating the cosmological principle are reviewed. This thesis is concluded by a summary and outlook of the included research papers.

Kosmologinen periaate, jonka otaksutaan pätevän kosmologisessa standardimallissa, olettaa avaruuden näyttävän samalta joka pisteessä ja joka suunnassa. Tämä periaate on ansainnut paikkansa hyvänä oletuksena sopimalla havaintoihin erittäin hyvin aina 2000-luvun vaihteeseen asti sekä yksinkertaistamalla Einsteinin yhtälön kauniiseen ja yksinkertaiseen muotoon.Vasta vuosituhannen vaihteen jälkeen tehdyissä havainnoissa on löytynyt uskottavia todisteita kosmologista periaatetta vastaan. Tällaisia havaintoja ovat muun muassa ristiriitaiset tulokset Hubblen parametrin määrityksessä, Lyman-α-metsän baryoniakustiset oskillaatiot sekä anomaliat kosmisessa taustasäteilyssä. Lisäksi, vaikka havaintoja kosmologista periaatetta vastaan ei olisikaan vielä löytynyt, periaatetta tulee testata kuin mitä tahansa oletusta fysiikassa.

Tässä väitöskirjassa tutkitaan ilmiöitä, jotka seuraavat kosmologisen periaatteen hylkäämisestä. Yleisellä tasolla voidaan sanoa, että periaatteesta luovuttaessa universumin geometria monimutkaistuu ja materiasisältö monimuotoistuu. Tämän seurauksena systeemiä kuvaavien yhtälöiden ratkaiseminen hankaloituu, joka tässä kirjassa havainnollistetaan esittelemällä kosmologinen standardimalli sekä joitakin kosmologista periaatetta rikkovia malleja. Myös kosmologisen standardimallin ongelmia havainnollistetaan konkreettisesti. Erityistä huomiota saavat Hubblen parametri, supernovat, baryoniakustiset oskillaatiot, kosminen taustasäteily sekä pimeän energian ongelma. Kosmologista periaatetta rikkovia malleja on tutkittu laajasti yrittäen löytää niistä ratkaisu kosmologisen standardimallin ongelmiin; näitä ratkaisuyrityksiä kuvaillaan. Lopuksi väitöskirjassa esitellyistä artikkeleista tehdään yhteenveto.