Acceleration of the Cosmological Expansion as an Effect of Inhomogeneities

Abstract

The cosmological observations of light from type Ia supernovae, the cosmic microwave background and the galaxy distribution seem to indicate that the expansion of the universe has accelerated during the latter half of its age. Within standard cosmology, this is ascribed to dark energy, a uniform fluid with large negative pressure that gives rise to repulsive gravity but also entails serious theoretical problems. Understanding the physical origin of the perceived accelerated expansion has been described as one of the greatest challenges in theoretical physics today.

In this thesis, we discuss the possibility that, instead of dark energy, the acceleration would be caused by an effect of the nonlinear structure formation on light, ignored in the standard cosmology. A physical interpretation of the effect goes as follows: due to the clustering of the initially smooth matter with time as filaments of opaque galaxies, the regions where the detectable light travels get emptier and emptier relative to the average. As the developing voids begin to expand the faster the lower their matter density becomes, the expansion can then accelerate along our line of sight without local acceleration, potentially obviating the need for the mysterious dark energy.

In addition to offering a natural physical interpretation to the acceleration, we have further shown that an inhomogeneous model is able to match the main cosmological observations without dark energy, resulting in a concordant picture of the universe with 90% dark matter, 10% baryonic matter and 15 billion years as the age of the universe. The model also provides a smart solution to the coincidence problem: if induced by the voids, the onset of the perceived acceleration naturally coincides with the formation of the voids. Additional future tests include quantitative predictions for angular deviations and a theoretical derivation of the model to reduce the required phenomenology.

A spin-off of the research is a physical classification of the cosmic inhomogeneities according to how they could induce accelerated expansion along our line of sight. We have identified three physically distinct mechanisms: global acceleration due to spatial variations in the expansion rate, faster local expansion rate due to a large local void and biased light propagation through voids that expand faster than the average. A general conclusion is that the physical properties crucial to account for the perceived acceleration are the growth of the inhomogeneities and the inhomogeneities in the expansion rate. The existence of these properties in the real universe is supported by both observational data and theoretical calculations. However, better data and more sophisticated theoretical models are required to vindicate or disprove the conjecture that the inhomogeneities are responsible for the acceleration.

Kosmologiset havainnot supernovista, kosmisesta mikroaaltotaustasta ja suuren mittakaavan galaksijakaumasta viittaavat avaruuden laajenemisen kiihtyneen suunnilleen maailmankaikkeuden iän jälkimmäisen puoliskon aikana. Yleisimmin kiihtyvyyden aiheuttajaksi on arveltu tasaisesti kaikkialle avaruuteen jakautunutta tuntematonta kenttää, jolla on suuri negatiivinen paine. Tämä nk. pimeä energia saa yleisen suhteellisuusteorian kenttäyhtälöiden mukaisesti painovoiman käyttäytymään repulsiivisesti, eli avaruuden laajenemisen kiihtymään. Havaintojen selittämisen ohella pimeä energia tuo kuitenkin mukanaan myös vakavia teoreettisia ongelmia, kuten selittämättömiä yhteensattumia ja kosmisten parametrien äärimmäisen tarkkaa hienosäätöä. Havaitun kiihtyvyyden fysikaalisen alkuperän ymmärtäminen onkin kenties eräs teoreettisen fysiikan tämän hetken suurimmista haasteista.

Tässä työssä tarkastellaan sitä vaihtoehtoa, että kiihtyvyyden olisi pimeän energian sijaan aiheuttanut galaksirihmastojen ja suurten tyhjien alueiden muodostumisen vaikutus kosmologisista kohteista havaittavaan valoon. Tämän selityksen kannalta oleellisessa osassa ovat epälineaariset efektit, jotka jäävät huomiotta jos rakenteenmuodostusta kuvataan standardikosmologian tapaan lineaarisella häiriöteorialla. Esitämme ilmiölle seuraavanlaisen fysikaalisen tulkinnan: Koska varhaisessa maailmankaikkeudessa tasaisesti jakautunut aine keräytyy ajan myötä läpinäkymättömistä galakseista koostuviksi rihmastoiksi, havaittavan valon kulkemat alueet tulevat maailmankaikkeuden vanhetessa yhä tyhjemmiksi ja tyhjemmiksi. Näiden suurenevien tyhjien alueiden alkaessa laajeta keskiarvoon nähden sitä nopeammin mitä tyhjemmiksi ne tulevat, laajenemisnopeus voi kasvaa pitkin maailmankaikkeuden kehityshistorian halkovaa näkösädettämme ilman avaruuden laajenemisen kiihtymistä, tehden mahdollisesti oletuksen pimeän energian olemassaolosta tarpeettomaksi.

Sen lisäksi, että esitetty selitys tarjoaa luonnollisen tulkinnan havaitulle kiihtyvyydelle, osoitamme että rakenteenmuodostuksen epälineaarisella tasolla huomioiva fenomenologinen malli sopii kosmologiseen havaintoaineistoon ilman pimeää energiaa myös kvantitatiivisella tasolla. Datasovituksen tuloksena saatavassa kosmologisessa mallissa maailmankaikkeuden ikä on 15 miljardia vuotta ja se sisältää 90% pimeää ainetta sekä 10% tavallista ainetta. Malli tarjoaa myös täsmäratkaisun yhteensattumaongelmaan: jos havaittu laajenemisen kiihtyminen aiheutuu tyhjistä alueista, kiihtyvyyden alkaminen luonnollisestikin osuu samaan aikaan tyhjien alueiden muodostumisen kanssa, kuten havaintojen mukaan näyttäisi tapahtuvan. Tulevaisuudessa suoritettavia lisätestejä ovat mm. mallin parametrien laskeminen teoriasta ja kvantitatiivisten ennusteiden laskeminen epäisotrooppisesta tyhjien alueiden jakaumasta aiheutuville kulmariippuvuuksille.

Tutkimuksen sivutuotteena esitetään luokittelu kosmisten rakenteiden vaikutuksista sen perusteella, kuinka ne voivat aiheuttaa kiihtyvää laajenemista pitkin näkösädettämme. Olemme tunnistaneet kolme fysikaalisesti erillistä mekanismia: laajenemisen avaruudellisista vaihteluista aiheutuva maailmankaikkeuden keskimääräisen laajenemisnopeuden kasvu, suuren tyhjän alueen aiheuttama keskiarvoa nopeampi paikallinen laajeneminen, sekä havaitun valon kulku keskimääräistä nopeammin laajenevien tyhjien alueiden muodostaman verkoston läpi. Yleinen johtopäätös on se, että havaitun kiihtyvyyden selittämiseksi oleellisia ominaisuuksia ovat rakenteiden kasvu ja laajenemisnopeuden avaruudelliset vaihtelut. Näiden ominaisuuksien olemassaoloa maailmankaikkeudessamme tukevat havaintojen lisäksi myös teoreettiset laskelmat. Parempaa havaintoaineistoa ja kehittyneempiä teoreettisia malleja kuitenkin tarvitaan ratkaisemaan, onko esitetty otaksuma rakenteenmuodostuksesta kiihtyvyyden fysikaalisena alkuperänä oikeellinen. Rakenteiden vaikutus kosmologisiin havaintoihin on kiihtyvyyden alkuperästä riippumatta joka tapauksessa selvitettävä nykyistä tarkemmin, jotta tehtyjä havaintoja voidaan tulkita luotettavasti.