Classical and Quantum Aspects of Anisotropic Cosmology [Elektronische Ressource] / Julian Adamek. Betreuer: Jens Niemeyer

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• Publié par: julius-maximilians-universitat_wurzburg
• Publié le: 01 janvier 2011
• Nombre de lectures: 13
• Langue: English
• Poids de l'ouvrage: 1 Mo

Extrait

Classical and Quantum Aspects of
Anisotropic Cosmology
Dissertation zur Erlangung des
naturwissenschaftlichen Doktorgrades
der Bayerischen Julius-Maximilians-Universit¨atWu¨rzburg
vorgelegt von
Julian Adamek
aus Wu¨rzburg
Wu¨rzburg 2011Eingereicht am: 4. Juli 2011
bei der Fakult¨at fu¨r Physik und Astronomie
∗1. Gutachter: Prof. Dr. Jens C. Niemeyer
2. Gutachter: Prof. Dr. Haye Hinrichsen
3. Gutachter: —
der Dissertation
∗1. Pru¨fer: Prof. Dr. Jens C. Niemeyer
2. Pru¨fer: Prof. Dr. Haye Hinrichsen
3. Pru¨fer: Prof. Dr. Thomas Trefzger
im Promotionskolloquium
Tag des Promotionskolloquiums: 27. Oktober 2011
Doktorurkunde ausgeh¨andigt am:
∗seit 2009 an der Georg-August-Universita¨t Go¨ttingenClassical and Quantum Aspects of
Anisotropic Cosmology
Julian Adamek
2011Preface
This work represents the dissertation which I submit in partial satisfaction of the require-
ments for the doctoral degree in physics (Dr. rer. nat.) at the University of Wu¨rzburg.
It is intended to be a comprehensive statement of my research as a doctoral student. As
such, it reviews several results which have already been published in [1, 2, 3], but contains
additionalmaterialaswellasadetailedpresentationofthecontext. Thefollowingabstract
will be given in English and German in order to meet formal requirements.
Abstract The idea that our observable Universe may have originated from a quantum
tunneling event out of an eternally inflating false vacuum state is a cornerstone of the
multiverse paradigm. Modern theories that are considered as an approach towards the
ultraviolet-completefundamental theory of particles and gravity, such as the various types
ofstringtheory,evensuggestthatavastlandscape ofdifferentvacuumconfigurationsexists,
and that gravitational tunneling is an important mechanism with which the Universe can
explorethislandscape. Thetunnelingscenarioalsopresentsauniqueframeworktoaddress
the initial conditions of our observable Universe. In particular, it allows to introduce
deviations from the cosmological concordance model in a controlled and well-motivated
way. These deviations are a central topic of this work.
Animportantfeatureinmostofthetheoriesmentionedaboveisthepresumedexistence
of additional space dimensions in excess of the three which we observe in our every-day
experience. It was realized that these extra dimensions could avoid our detection if they
are compactified to microscopic length scales far beyond the reach of current experiments.
There also seem to be natural mechanisms available for dynamical compactification in
those theories. These typically lead to a vast landscape of different vacuum configurations
which also may differ in the number of macroscopic dimensions, only the total number of
dimensions being determined by the theory. Transitions between these vacuum configu-
rations may hence open up new directions which were previously compact, spontaneously
compactify some previously macroscopic directions, or otherwise re-arrange the configu-
ration of compact and macroscopic dimensions in a more general way. From within the
bubble Universe, such a process may be perceived as an anisotropic backgroundspacetime
- intuitively, the dimensions which open up may give rise to preferred directions.
If our 3+1 dimensional observable Universe was born in a process as described above,
one may expect to find traces of a preferred direction in cosmological observations. For
instance, two directions could be curved like on a sphere, while the third space direction
is flat. Using a scenario of gravitational tunneling to fix the initial conditions, I show how
the primordial signatures in such an anisotropic Universe can be obtained in principle and
work out a particular example in more detail.
A small deviation from isotropy also has phenomenological consequences for the later
evolution of the Universe. I discuss the most important effects and show that backre-
action can be dynamically important. In particular, under certain conditions, a buildup
of anisotropic stress in different components of the cosmic fluid can lead to a dynamical
isotropizationofthetotalstress-energytensor. Themechanismisagaindemonstratedwith
the help of a physical example.6 Preface
Zusammenfassung Die Vorstellung von einem Multiversum baut unter anderem auf
dem Gedanken auf, dass unser beobachtbares Universum in einem Tunnelprozess ent-
standen sein k¨onnte. Demzufolge ha¨tte es sich dabei von einem ewig w¨ahrenden, infla-
tiona¨ren Vakuumzustand abgekoppelt. Die so entstehende Blase gleicht einer bewohn-
baren Insel inmitten eines gewaltigen Ozeans. Moderne Theorien, die als gute Ansa¨tze
bezu¨glich einer fundamentalen und ultraviolett-vollsta¨ndigen Beschreibung von Elemen-
tarteilchen und Gravitation angesehen werden, wie etwa die verschiedenen Auspr¨agungen
derStringtheorie,legensogarnahe,dasseineganze“Landschaft”(imEnglischenlandscape)
verschiedener Vakuumzusta¨nde existiert, und dass Tunnelprozesse einen wichtigen Mecha-
nismus darstellen, mit dem das Universum die Vielzahl an Mo¨glichkeiten erforschen und
realisierenkann. DasTunnelszenariostelltaucheineneinzigartigenRahmenzurVerfu¨gung,
umdieAnfangsbedingungenunseresbeobachtbarenUniversumszuuntersuchen. Insbeson-
dere besteht damit die Mo¨glichkeit, geringfu¨gigeAbweichungen vom kosmologischenStan-
dardmodell in kontrollierter und gut motivierter Art und Weise zu realisieren. Solche
Abweichungen stellen eines der zentralen Themen dieser Arbeit dar.
Eine wichtige Besonderheit der eben erw¨ahnten Theorien ist die Annahme, dass neben
den drei uns bekannten Raumdimensionen eine Vielzahl weiterer existieren k¨onnte. Diese
Zusatzdimensionenk¨onntenvorunsverborgensein,wennsiekompaktsindundnurextrem
mikroskopische Ausmaße haben, so dass sie sich weit unterhalb des Aufl¨osungsverm¨ogens
heutiger Experimente befinden. Mechanismen, welche eine solche mikroskopische Gestalt
dynamisch erkla¨ren k¨onnten, sind in den ga¨ngigen Theorien auf ganz natu¨rliche Weise
verfu¨gbar. Typischerweiseergibtsich darausdas eben gezeichneteBild einer ausgedehnten
“Landschaft” verschiedener Konfigurationen. Die Vakuumzusta¨nde k¨onnen sich nun auch
in der Anzahl und Gestalt der mikroskopischen Dimensionen unterscheiden, da nur die
¨Gesamtzahl an Raumdimensionen von der Theorie vorgegeben wird. Uberga¨nge zwischen
diesen Zusta¨nden k¨onnen also dazu fu¨hren, dass neue Raumrichtungen entstehen, indem
mikroskopische Dimensionen sich pl¨otzlich aufbla¨hen, alte Raumrichtungen verschwinden,
indem sie sich spontan ins Mikroskopische zusammenziehen, oder dass die Konfiguration
der Raumdimensionen auf eine noch kompliziertere Art und Weise ver¨andert wird. Aus
Sicht des neu entstehenden “Universums” in der Blase fu¨hrt ein solcher Prozess effektiv
zu einem anisotropen Hintergrund – vereinfacht ausgedru¨ckt k¨onnen die neu entstehenden
Raumrichtungen eine Vorzugsrichtung ausweisen.
Wennunser3+1dimensionalesbeobachtbaresUniversumineinemsolchenProzessent-
standen ist, kann man vermuten, dass sich in kosmologischenBeobachtungen Hinweise auf
eine Vorzugsrichtung finden lassen mu¨ssten. Zum Beispiel k¨onnten zwei Raumrichtungen
gekru¨mmtwieeineKugeloberfla¨chesein, w¨ahrenddiedritteRichtung keinerleiKru¨mmung
aufweist. Indem ich ein Tunnelszenario benutze, um die Anfangsbedingungen festzulegen,
gelingt es mir zu zeigen wie die primordialenSpuren eines solchenanisotropen Universums
prinzipiell auszusehen haben und fu¨hre eine Berechnung anhand eines speziellen Beispiels
explizit vor.
Eine geringfu¨gige Abweichung von Isotropie hat ebenfalls pha¨nomenologische Auswir-
kungen auf die sp¨atere Entwicklung des Universums. Ich gehe auf die wichtigsten Effekte
ein und zeige außerdem, dass Ru¨ckkopplung dynamisch relevant sein kann. Insbesondere
kann sich unter gewissen Voraussetzungen ein Ungleichgewicht der Druckkra¨fte in ver-
schiedenen Komponenten der “kosmischen Flu¨ssigkeit” aufbauen, das insgesamt zu einer
dynamischen Isotropisierung des kollektiven Energie-Impuls-Tensors fu¨hrt. Dieser Mecha-
nismus wird ebenfalls anhand eines konkreten Beispiels beleuchtet.
Acknowledgments I wish to thank Jens Niemeyer for the opportunity to do a PhD
in a friendly atmosphere and David Campo for his efforts in advising me. Ruth Durrer
and Claudia de Rham deserve special thanks for hosting me at Geneva University during
an invaluable research visit. Furthermore, I thank the members of the Research Training
Group, in particular Alex Schenkel and Dennis Simon, for good companionship, and myPreface 7
family and my beloved girlfriend for circumstantial support. Financial support was pro-
videdbytheGermanResearchFoundation(DFG)throughascholarshipwiththeResearch
Training Group 1147 “Theoretical Astrophysics and Particle Physics.”Contents
Preface 5
1 Concordance Cosmology – A Success Story 13
1.1 Basics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
1.2 Inflation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
1.3 Challenges . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .