Formation of structure in dark energy cosmologies

Acceleration of the universe has been established but not explained. During the past few years precise cosmological experiments have confirmed the standard big bang scenario of a flat universe undergoing an inflationary expansion in its earliest stages, where the perturbations are generated that eventually form into galaxies and other structure in matter, most of which is non-baryonic dark matter. Curiously, the universe has presently entered into another period of acceleration. Such a result is inferred from observations of extra-galactic supernovae and is independently supported by the cosmic microwave background radiation and large scale structure data. It seems there is a positive cosmological constant speeding up the universal expansion of space. Then the vacuum energy density the constant describes should be about a dozen times the present energy density in visible matter, but particle physics scales are enormously larger than that. This is the cosmological constant problem, perhaps the greatest mystery of contemporary cosmology. In this thesis we will explore alternative agents of the acceleration. Generically, such are called dark energy. If some symmetry turns off vacuum energy, its value is not a problem but one needs some dark energy. Such could be a scalar field dynamically evolving in its potential, or some other exotic constituent exhibiting negative pressure. Another option is to assume that gravity at cosmological scales is not well described by general relativity. In a modified theory of gravity one might find the expansion rate increasing in a universe filled by just dark matter and baryons. Such possibilities are taken here under investigation. The main goal is to uncover observational consequences of different models of dark energy, the emphasis being on their implications for the formation of large-scale structure of the universe. Possible properties of dark energy are investigated using phenomenological paramaterizations, but several specific models are also considered in detail. Difficulties in unifying dark matter and dark energy into a single concept are pointed out. Considerable attention is on modifications of gravity resulting in second order field equations. It is shown that in a general class of such models the viable ones represent effectively the cosmological constant, while from another class one might find interesting modifications of the standard cosmological scenario yet allowed by observations. The thesis consists of seven research papers preceded by an introductory discussion.

Universumin laajenemisen kiihtyminen on näytetty toteen, mutta sitä ei ole selitetty. Täsmälliset kosmologiset kokeet ovat vahvistaneet, että elämme alkuräjähdysteorian mukaisessa maailmankaikkeudessa, missä aikaisen inflaation häiriöt ovat kehittyneet galakseiksi ja muuksi rakenteeksi materiassa, josta suurin osa on pimeää ainetta. Nykyisten havaintojen perusteella tapahtumain kulkuun on luettava myöhäisempikin inflaatio, ja tuntemattomiin tekijöihin on lisättävä sen aiheuttaja, pimeä energia. Yksinkertaisin selitys olisi kosmologinen vakio, mutta silloin tämän vakion tulisi olla tavattomasti pienempi kuin fysiikan perusteorioiden arvellaan ennustavan. Pimeää energiaa usein kuvataan skalaarikentällä tai muulla aineella, jonka energiatiheys muuttuu hitaasti muttei alati pysyttele vakiona. Vaihtoehtoisesti voidaan universumin kiihtyminen mallintaa muuntamalla painovoimalakeja kosmologissa mittakaavoissa. Tässä väitöskirjassa tarkastellaan erilaisia pimeän energian malleja, erityisesti silmälläpitäen niiden havaittavia seuraamuksia. Häiriöteoreettisten laskelmien merkitystä tähdennetään. Laajennetaan pimeän energian malleja huomioiden mahdollinen fluidin anisotrooppisuus. Tutkitaan, miten pimeän energian mahdollisia ominaisuuksia voidaan rajoittaa vertaamalla teoreettisia ennusteita kosmisen taustasäteilyn ja materiajakauman suuren skaalan rakenteen mittauksiin. Näin voidaan osoittaa, että useat pimeän aineen ja pimeän energian vuorovaikutuksiin perustuvat mallit eivät johda havaitunkaltaiseen rakenteeseen. Väitöskirjassa tarkastellaan myös yleisen suhteellisuusteorian laajennuksia, soveltaen eri variaatiomenetelmiä. Teoreettisista syistä eniten huomiota kiinnitetään kenttäyhtälöiden kertaluvun säilyttäviin laajennuksiin. Niiden todetaan joissain tapauksissa olevan mielenkiintoisia pimeän energian ongelman kannalta. Väitöskirja koostuu seitsemästä tutkimusartikkelista ja niiden aihepiiriin johdattelevasta yleiskatsauksesta.