Des paysages au-delà de la métrique cosmique standard. Aperçus de l'analyse du champ de fluctuation du taux d'expansion.

Landscapes beyond the standard cosmic metric. Glimpses from the analysis of the expansion rate fluctuation field.

• Auteur / Autrice : Maharshi Sarma
• Direction : Christian Marinoni
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : PHYSIQUE & SCIENCES DE LA MATIERE - Spécialité : ASTROPHYSIQUE ET COSMOLOGIE
• Date : Inscription en doctorat le 01/10/2024
• Etablissement(s) : Aix-Marseille
• Ecole(s) doctorale(s) : Ecole Doctorale Physique et Sciences de la Matière
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Centre de Physique Théorique

Mots clés

Mots clés libres

Cosmologie

Relativité générale

Astrophysique

Cosmology

General Relativity

Astrophysics

Résumé

Alors que les programmes d'observation sont devenus de plus en plus puissants et précis, les données semblent avoir cessé de converger vers un paradigme unique, le modèle standard de la cosmologie. Plutôt que d'ajuster simplement quelques paramètres ou d'ajouter quelques nouveaux champs, ces divergences pourraient nécessiter une réévaluation des fondements du modèle standard de la cosmologie. champs, ces divergences pourraient nécessiter une réévaluation des hypothèses de base de la cosmologie. En d'autres termes, en tant que cosmologistes, nous faisons quelque chose de mal, et nous devons trouver ce que c'est ! Cette proposition de recherche mise sur l'idée que la description géométrique même de l'univers doit être examinée au « microscope » et éventuellement, modifiée. La métrique de Friedmann, Robertson & Walker (FRW) est extraordinairement efficace pour expliquer les caractéristiques générales de l'univers, en particulier son expansion et son évolution. Cependant, au fur et à mesure que de nouvelles données d'une précision exquise, cette description dans l'approximation d'ordre zéro ne semble plus ne semble plus suffisante. Tout d'abord, FRW est exactement homogène et isotrope. L'univers réel, en particulier l'univers local, n'est manifestement ni l'un ni l'autre, et bien au-delà des irrégularités attendues de la théorie standard des perturbations. En outre, de nombreuses tensions inexpliquées qui font surface en cosmologie. Dans une série d'articles, nous avons exploré la possibilité de caractériser le taux d'expansion à des échelles cosmiques locales où le principe cosmologique est violé, de manière indépendante du modèle, c'est-à-dire d'une manière plus significative et plus complète que ce qui est possible en utilisant uniquement le paramètre de Hubble (H0) du modèle standard. (H0) du modèle standard. La première difficulté à résoudre est la généralisation de la notion de taux d'expansion cosmique en un point P arbitraire dans un espace-temps générique. Cette généralisation doit être complétée en spécifiant comment ce taux d'expansion est par des observateurs qui partagent la même position spatiale P, mais des états de mouvement par rapport à la matière dans le voisinage de P. La deuxième difficulté concerne la façon dont ce taux d'expansion, qui est en principe anisotrope, c'est-à-dire dépendant de la ligne de visée, peut être mesuré de façon optimale avec les données d'observation, c'est-à-dire le décalage vers le rouge et les distances mesurées par les magnitudes (ou par d'autres méthodes). Il s'agit de développer une observable pour estimer les fluctuations du taux d'expansion local afin de maximiser la précision statistique et de minimiser les les biais potentiels. Une approche entièrement covariante pour définir le paramètre de Hubble généralisé mesuré par un observateur arbitraire dans n'importe quelle direction a été élaboré. Le problème de la conception d'une observable scalaire appropriée qui caractérise les fluctuations de la vitesse d'expansion, et de leurs effets sur l'environnement, a été résolu. les fluctuations du taux d'expansion et leur structure multipolaire potentielle. a été abordé. Cette observable, le champ de fluctuation du taux d'expansion η, quantifie les écarts par rapport à l'isotropie dans la relation entre le décalage vers le rouge et la distance. Le signal mesuré dans l'Univers local a été décomposé en composantes harmoniques sphériques. Des symétries inattendues ont ainsi été découvertes, notamment un alignement du maximum des anisotropies dipolaires, quadrupolaires et octupolaires, ainsi qu'une configuration symétrique de l'axe de ces anisotropies. ainsi qu'une configuration axisymétrique pour leur distribution. En outre, il a été montré comment exploiter ces moments, dans le cadre du modèle standard de la cosmologie, afin de corriger le diagramme de Hubble pour les anisotropies singulières. Hubble pour les distorsions de vitesse particulières ou pour obtenir un aperçu de l'amplitude des flux locaux. Ces travaux préliminaires doivent maintenant être étendus dans de nombreuses directions complémentaires. complémentaires et cette thèse de doctorat est essentielle pour atteindre ces objectifs. La tâche la plus exigeante se situe du côté théorique. Il/elle développera un schéma pour calculer la fonction de corrélation en deux points du champ de fluctuation du taux d'expansion η. L'objectif est de déterminer comment son amplitude dépend des perturbations sous-jacentes dans les champs de densité et de vitesse de l'univers. Il/elle essaiera ensuite d'obtenir des informations dans la structure de l'Univers local afin de construire une métrique de l'espace-temps qui qui capture les caractéristiques essentielles du signal η anisotrope observé. L'objectif est de développer des approches analytiques pour simplifier le traitement de la propagation de la lumière dans des dans des espaces-temps génériques. En particulier, il/elle explorera la possibilité de décomposer les équations de Sach en une équation orthogonale. équations de Sach sur une base orthogonale.

While observational programs have become increasingly powerful and precise, data seem to have stopped converging towards a single paradigm, the Standard Model of cosmology. Rather than simply adjusting a few parameters, or adding a few new fields, these discrepancies may be calling for a reassessment of the basic assumptions of cosmology. In other words, as cosmologists, we're doing something wrong, and we need to find out what that is! This research proposal is betting on the idea that the very geometrical description of the universe needs to be put under the “microscope”, and, possibly, amended. The Friedmann, Robertson & Walker (FRW)metric is extraordinarily effective in explaining the general characteristics of the universe, in particular its expansion and evolution. However, as new exquisitely precise data are flowing in, this description in zero-order approximation no longer seems sufficient. To begin with, FRW is exactly homogeneous and isotropic. The real universe, in particular the local one, is clearly neither, and well beyond the irregularities expected from standard perturbation theory. Moreover, many unexplained tensions surfacing in cosmology. In a series of papers we explored the possibility of characterising the expansion rate on local cosmic scales, where the cosmological principle is violated, in a model-independent manner, i.e. in a more meaningful and comprehensive way than is possible using the Hubble parameter (H0) of the Standard Model alone. The first difficulty to be addressed along this path is a meaningful generalization of the notion of cosmic expansion rate at an arbitrary point P in a generic spacetime. This generalization must be completed by specifying how this expansion rate is viewed by observers who share the same spatial position P but different states of motion with respect to matter in the neighborhood of P. The second difficulty concerns how this expansion rate, which is in principle anisotropic, i.e. line-of-sight dependent, can be optimally measured with observational data, i.e. redshift and distances measured through magnitudes (or other quantities that do not depend on redshift information). This involves developing an observable to estimate fluctuations in the local expansion rate in order to maximize statistical accuracy and minimize potential bias. A fully covariant approach to define the generalized Hubble parameter measured by an arbitrary observer in any given direction has been worked out. The problem of designing a suitable scalar observable which characterizes fluctuations in the expansion rate, and their potential multipolar structure, was addressed. This observable, the expansion rate fluctuation field η quantifies deviations from isotropy in the relationship between redshift and distance. The signal measured in the local Universe was decomposed into spherical harmonic components. As a result, unexpected symmetries were found – notably, an alignment of the maximum of dipolar, quadrupolar and octupolar anisotropies, as well as an axis-symmetric configuration for their distribution. In addition, it was shown how to exploit these moments, within the standard model of cosmology, to correct the Hubble diagram for peculiar velocity distortions or to gain insight into the amplitude of local bulk flows. This preliminary work needs now to be extended along many complementary directions and this PhD thesis is instrumental in achieving these goals. The most demanding task is on the theoretical side. He/she will develope a scheme to calculate the 2-point correlation function of the expansion rate fluctuation field η. The goal is to determine how its amplitude depends on the underlying perturbations in the density and velocity fields of the universe. He/she will then try to gain insights into the structure of the local Universe in order to construct a spacetime metric that captures the essential features of the observed anisotropic η signal. The aim is to develop analytical approaches to simplify the treatment of the propagation of light in generic spacetimes. In particular, he/she will explore the possibility of decomposing Sach's equations onto an orthogonal basis.