Negli ultimi anni, una buona parte della comunità scientifica si è dedicata ad un’eventuale rottura dell’isotropia del nostro Universo, spinti della presenza di alcune “anomalie” nelle misurazioni della radiazione cosmica di fondo (CMB). Questo comporterebbe una revisione radicale della Cosmologia, dato che la sua isotropia statistica rappresenta uno dei pilastri che sorreggono l’attuale modello standard cosmologico. Una di queste anomalie è la “power asymmetry”, la quale sembra eludere il paradigma di una sconosciuta sistematica nei dati, mostrando una significanza relativamente alta. Invero, questa anomalia è stata osservata in primis con il satellite WMAP e poi con il satellite Planck, i quali hanno mostrato un eccesso in potenza in uno dei due emisferi del cielo. Questo può essere un segnale di una violazione dell’isotropia statistica su grandi scale, che può avere un’origine cosmologica, suggerendo la presenza di nuova fisica. La comunità scientifica ha descritto questa anomalia tramite l’effetto di una rottura locale di isotropia, causata da una modulazione dipolare dei potenziali gravitazionali scalari presenti nelle equazioni di Boltzmann per i fotoni del CMB. Questi campi generano la rottura tramite i loro gradienti e imprimono sul CMB l’eccesso in potenza che osserviamo. D’altro canto, nel prossimo futuro ci aspettiamo di osservare un altro tipo di segnale di fondo proveniente dal settore delle onde gravitazionali (GW). Sappiamo infatti che una delle predizioni dei modelli inflazionari è un fondo cosmologico di onde gravitazionali (CGWB) che si propaga da ogni direzione nel cielo come diretta conseguenza delle fluttuazioni quantistiche della metrica, portate su scale macroscopiche dall’inflazione. Oltre alla loro contribuzione alla densità d’energia dell’Universo, questo fondo è caratterizzato da delle anisotropie (come il CMB), prodotte dalla sua propagazione attraverso un Universo perturbato. In questa Tesi, studiamo gli effetti di una modulazione dipolare dei potenziali gravitazionali (come quella predetta dai modelli che cercano di spiegare le anomalie del CMB) sulle anisotropie del CGWB. In particolare, sfruttando le proprietà statistiche delle GWs, è possibile definire una funzione di distribuzione per il CGWB, che evolve obbedendo alle equazioni di Boltzmann. In altre parole, il CGWB si comporta analogamente al CMB, e.g. i potenziali gravitazionali sono responsabili dell’effetto Sachs-Wolfe (SW). Poi, studiamo lo spettro di potenza angolare della densità d’energia delle GWs, con particolare attenzione alle anisotropie che nascono dall’aver introdotto una modulazione. Riassumendo alcuni dei Risultati ottenuti in questa Tesi, abbiamo dimostrato che, analogamente al CMB, il CGWB acquisisce un accoppiamento non triviale tra multipoli, dovuto alla presenza della modulazione nei potenziali gravitazionali. Inoltre, abbiamo trovato modificazioni originali delle contribuzioni allo spettro di potenza angolare del CGWB relative all’effetto SW integrato. Esse risultano infatti soppresse rispetto a quelle ottenute seguendo la procedura standard. Queste due caratteristiche rappresentano delle segnature che un’eventuale rottura di isotropia imprime nel CGWB e che potrebbe essere possibile osservare nel prossimo futuro con i prossimi detector di GWs (come LISA, DECIGO, ET e CE).

Test of Statistical Isotropy of the Universe usingGravitational Waves Test dell'Isotropia Statistica dell'Universo usando le Onde Gravitazionali

Galloni, Giacomo
2020/2021

Abstract

Negli ultimi anni, una buona parte della comunità scientifica si è dedicata ad un’eventuale rottura dell’isotropia del nostro Universo, spinti della presenza di alcune “anomalie” nelle misurazioni della radiazione cosmica di fondo (CMB). Questo comporterebbe una revisione radicale della Cosmologia, dato che la sua isotropia statistica rappresenta uno dei pilastri che sorreggono l’attuale modello standard cosmologico. Una di queste anomalie è la “power asymmetry”, la quale sembra eludere il paradigma di una sconosciuta sistematica nei dati, mostrando una significanza relativamente alta. Invero, questa anomalia è stata osservata in primis con il satellite WMAP e poi con il satellite Planck, i quali hanno mostrato un eccesso in potenza in uno dei due emisferi del cielo. Questo può essere un segnale di una violazione dell’isotropia statistica su grandi scale, che può avere un’origine cosmologica, suggerendo la presenza di nuova fisica. La comunità scientifica ha descritto questa anomalia tramite l’effetto di una rottura locale di isotropia, causata da una modulazione dipolare dei potenziali gravitazionali scalari presenti nelle equazioni di Boltzmann per i fotoni del CMB. Questi campi generano la rottura tramite i loro gradienti e imprimono sul CMB l’eccesso in potenza che osserviamo. D’altro canto, nel prossimo futuro ci aspettiamo di osservare un altro tipo di segnale di fondo proveniente dal settore delle onde gravitazionali (GW). Sappiamo infatti che una delle predizioni dei modelli inflazionari è un fondo cosmologico di onde gravitazionali (CGWB) che si propaga da ogni direzione nel cielo come diretta conseguenza delle fluttuazioni quantistiche della metrica, portate su scale macroscopiche dall’inflazione. Oltre alla loro contribuzione alla densità d’energia dell’Universo, questo fondo è caratterizzato da delle anisotropie (come il CMB), prodotte dalla sua propagazione attraverso un Universo perturbato. In questa Tesi, studiamo gli effetti di una modulazione dipolare dei potenziali gravitazionali (come quella predetta dai modelli che cercano di spiegare le anomalie del CMB) sulle anisotropie del CGWB. In particolare, sfruttando le proprietà statistiche delle GWs, è possibile definire una funzione di distribuzione per il CGWB, che evolve obbedendo alle equazioni di Boltzmann. In altre parole, il CGWB si comporta analogamente al CMB, e.g. i potenziali gravitazionali sono responsabili dell’effetto Sachs-Wolfe (SW). Poi, studiamo lo spettro di potenza angolare della densità d’energia delle GWs, con particolare attenzione alle anisotropie che nascono dall’aver introdotto una modulazione. Riassumendo alcuni dei Risultati ottenuti in questa Tesi, abbiamo dimostrato che, analogamente al CMB, il CGWB acquisisce un accoppiamento non triviale tra multipoli, dovuto alla presenza della modulazione nei potenziali gravitazionali. Inoltre, abbiamo trovato modificazioni originali delle contribuzioni allo spettro di potenza angolare del CGWB relative all’effetto SW integrato. Esse risultano infatti soppresse rispetto a quelle ottenute seguendo la procedura standard. Queste due caratteristiche rappresentano delle segnature che un’eventuale rottura di isotropia imprime nel CGWB e che potrebbe essere possibile osservare nel prossimo futuro con i prossimi detector di GWs (come LISA, DECIGO, ET e CE).
2020-10
156
Cosmologia, Onde Gravitazionali, Fondo Stocastico, Boltzmann, Anisotropia, Power Asymmetry, Potenziali
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Utilizza questo identificativo per citare o creare un link a questo documento: https://hdl.handle.net/20.500.12608/22914