Zoomed simulations of Halo segregation in cosmological models with two species of coupled dark matter

La materia ordinaria copre soli pochi punti percentuali della massa-energia totale dell'Universo, che è invece largamente dominata da componenti “oscure”. Il modello standard usato per descriverle è il modello LambdaCDM. Nonostante esso sembri consistente con la maggior parte dei dati attualmente disponibili, presenta alcuni problemi fondamentali che ad oggi restano irrisolti, lasciando spazio per lo studio di modelli cosmologici alternativi. Questa Tesi mira a studiare un modello proposto recentemente, chiamato “Multi-coupled Dark Energy” (McDE), che presenta interazioni modificate rispetto al modello LambdaCDM. In particolare, la Materia Oscura è composta da due diversi tipi di particelle con accoppiamento opposto rispetto ad un campo scalare responsabile dell'Energia Oscura. L'evoluzione del background e delle perturbazioni lineari risultano essere indistinguibili da quelle del modello LambdaCDM. In questa Tesi viene presentata per la prima volta una serie di simulazioni numeriche “zoomed”. Esse presentano diverse regioni con risoluzione differente, centrate su un singolo ammasso di interesse, che permettono di studiare in dettaglio una singola struttura senza aumentare eccessivamente il tempo di calcolo necessario. Un codice chiamato ZInCo, da me appositamente sviluppato per questa Tesi, viene anch'esso presentato per la prima volta. Il codice produce condizioni iniziali adatte a simulazioni cosmologiche, con differenti regioni di risoluzione, indipendenti dal modello cosmologico scelto e che preservano tutte le caratteristiche dello spettro di potenza imposto su di esse. Il codice ZInCo è stato usato per produrre condizioni iniziali per una serie di simulazioni numeriche del modello McDE, le quali per la prima volta mostrano, grazie all'alta risoluzione raggiunta, che l'effetto di segregazione degli ammassi avviene significativamente prima di quanto stimato in precedenza. Inoltre, i profili radiale di densità ottenuti mostrano un appiattimento centrale nelle fasi iniziali della segregazione. Quest'ultimo effetto potrebbe aiutare a risolvere il problema “cusp-core” del modello LambdaCDM e porre limiti ai valori dell'accoppiamento possibili.

Bouncing black holes in loop quantum gravity

In questo lavoro viene presentato un recente modello di buco nero che implementa le proprietà quantistiche di quelle regioni dello spaziotempo dove non possono essere ignorate, pena l'implicazione di paradossi concettuali e fenomenologici. In suddetto modello, la regione di spaziotempo dominata da comportamenti quantistici si estende oltre l'orizzonte del buco nero e suscita un'inversione, o più precisamente un effetto tunnel, della traiettoria di collasso della stella in una traiettoria di espansione simmetrica nel tempo. L'inversione impiega un tempo molto lungo per chi assiste al fenomeno a grandi distanze, ma inferiore al tempo di evaporazione del buco nero tramite radiazione di Hawking, trascurata e considerata come un effetto dissipativo da studiarsi in un secondo tempo. Il resto dello spaziotempo, fuori dalla regione quantistica, soddisfa le equazioni di Einstein. Successivamente viene presentata la teoria della Gravità Quantistica a Loop (LQG) che permetterebbe di studiare la dinamica della regione quantistica senza far riferimento a una metrica classica, ma facendo leva sul contenuto relazionale del tessuto spaziotemporale. Il campo gravitazionale viene riformulato in termini di variabili hamiltoniane in uno spazio delle fasi vincolato e con simmetria di gauge, successivamente promosse a operatori su uno spazio di Hilbert legato a una vantaggiosa discretizzazione dello spaziotempo. La teoria permette la definizione di un'ampiezza di transizione fra stati quantistici di geometria spaziotemporale, applicabile allo studio della regione quantistica nel modello di buco nero proposto. Infine vengono poste le basi per un calcolo in LQG dell'ampiezza di transizione del fenomeno di rimbalzo quantistico all'interno del buco nero, e di conseguenza per un calcolo quantistico del tempo di rimbalzo nel riferimento di osservatori statici a grande distanza da esso, utile per trattare a posteriori un modello che tenga conto della radiazione di Hawking e, auspicatamente, fornisca una possibile risoluzione dei problemi legati alla sua esistenza.

Bianchi type II cosmology in Hořava–Lifshitz gravity

In this work a Bianchi type II space-time within the framework of projectable Horava Lifshitz gravity was investigated; the resulting field equations in the infrared limit λ = 1 were analyzed qualitatively. We have found the analytical solutions for a toy model in which only the higher curvature terms cubic in the spatial Ricci tensor are considered. The resulting behavior is still described by a transition among two Kasner epochs, but we have found a different transformation law of the Kasner exponents with respect to the one of Einstein's general relativity.

Estimation of the ephemerides and gravity fields of the Galilean moons through orbit determination of the JUICE mission

Jupiter and its moons are a complex dynamical system that include several phenomenon like tides interactions, moon's librations and resonances. One of the most interesting characteristics of the Jovian system is the presence of the Laplace resonance, where the orbital periods of Ganymede, Europa and Io maintain a 4:2:1 ratio respectively. It is interesting to study the role of the Laplace Resonance in the dynamic of the system, especially regarding the dissipative nature of the tidal interaction between Jupiter and its closest moon, Io. Numerous theories have been proposed regarding the orbital evolution of the Galilean satellites, but they disagree about the amount of dissipation of the system, therefore about the magnitude and the direction of the evolution of the system, mainly because of the lack of experimental data. The future JUICE space mission is a great opportunity to solve this dispute. JUICE is an ESA (European Space Agency) L-class mission (the largest category of missions in the ESA Cosmic Vision) that, at the beginning of 2030, will be inserted in the Jovian system and that will perform several flybys of the Galilean satellites, with the exception of Io. Subsequently, during the last part of the mission, it will orbit around Ganymede for nine months, with a possible extension of the mission. The data that JUICE will collect during the mission will have an exceptional accuracy, allowing to investigate several aspects of the dynamics the system, especially, the evolution of Laplace Resonance of the Galilean moons and its stability. This thesis will focus on the JUICE mission, in particular in the gravity estimation and orbit reconstruction of the Galilean satellites during the Jovian orbital phase using radiometric data. This is accomplished through an orbit determination technique called multi-arc approach, using the JPL's orbit determination software MONTE (Mission-analysis, Operations and Navigation Tool-kit Environment).

Modelling the Halo mass number counts in modified gravity cosmological scenarios

In this Thesis work we investigate some of different cosmological background scenarios using one of the main probes used in cosmology: the halo mass function. The observed abundance of galaxy clusters (or similarly DM haloes) can indeed be compared to its theoretical predictions to derive fundamental constrains on the cosmological scenario assumed. Given the importance of exploring and constraining models degenerate with the ΛCDM one, we test the applicability of some notable halo mass function models to these scenarios. To this purpose, we made use of the DUSTGRAIN-pathfinder N-body simulations, which assume cosmological scenarios that include modified gravity in the form of f(R) models and massive neutrinos. We carried on the analysis of 3 simulation snapshots at different redshifts, z = 0, 0.5, 1, building multiple samples of dark matter haloes by applying different overdensity thresholds during the procedure of halo identification. We started our analysis by considering the halo mass function model introduced by Despali et al. (2016), who proposed a parametrization that encapsulates the effect of the different halo mass definitions and the relative evolution with the redshift. We calibrated the main parameters of this relation by using the ΛCDM halo catalogues extracted from the DUSTGRAIN-pathfinder simulations, fitting the measured halo abundances at all redshifts and density thresholds. Afterwards we tested the same model parametrization with halo catalogues extracted from the simulations implementing both modified gravity and massive neutrinos. We repeated therefore the calibration procedure on these data to search for discrepancies with respect to the ΛCDM model. Finally we focused the analysis on the cosmological models implementing modified gravity only. We took our ΛCDM calibrated halo mass function and we modified it with the additional f (R) gravity form proposed by Gupta et al. (2022).

Amplification mechanisms of inflationary spectra in induced gravity

Inflation is the primordial stage of accelerated expansion of the Universe which solves the issues of the initial conditions of a decelerating Universe (horizon, flatness and entropy problems). Moreover, it is supposed that quantum fluctuations originated during the first moments after the Big Bang gave rise to the formation of galaxies and other structures of the Universe when inflation ends. Among these structures also primordial black holes (PBHs) may have been generated. The interest in PBHs relies on their possible connection with dark matter: they could constitute a portion or even the whole dark matter content of our Universe.\\ In this work we consider inflation in the Induced Gravity (IR) context and study possible mechanisms of amplification of the curvature perturbations generated during the cosmic acceleration. In particular we consider the possibility of a period of Constant Roll (CR). Starting from the previous work of Starobinsky et al. Our final purpose is to analyse the power spectrum of the scalar perturbations and to find in which conditions there is an enhancement of the power spectrum possibly leading to PBHs formation.

An introduction to scalar-tensor gravity: theory and experiment in the Brans-Dicke model

Le teorie della gravità scalare-tensore sono una classe di teorie alternative alla rel- atività generale in cui l’interazione gravitazionale è descritta sia dalla metrica, sia da un campo scalare. Ne costituisce un esempio caratteristico la teoria di Brans-Dicke, in- trodotta come estensione della relatività generale in modo da renderla conforme con il principio di Mach. Il presente lavoro di tesi è volto a presentare un’analisi di questa teoria nei suoi aspetti principali, studiandone i fondamenti teorici e il modello cosmologico derivante, sottolineandone inoltre i limiti e le criticità; in seguito vengono esposti i risultati degli esperimenti fino ad ora svolti per verificare fondamenti e previsioni del modello.

Modified gravity with tensor computer algebra: a case study

Il modello ΛCDM è il modello cosmologico più semplice, ma finora più efficace, per descrivere l'evoluzione dell'universo. Esso si basa sulla teoria della Relatività Generale di Einstein e fornisce una spiegazione dell'espansione accelerata dell'universo introducendo la costante cosmologica Λ, che rappresenta il contributo della cosiddetta energia oscura, un'entità di cui ben poco si sa con certezza. Sono stati tuttavia proposti modelli teorici alternativi che descrivono gli effetti di questa quantità misteriosa, introducendo ad esempio gradi di libertà aggiuntivi, come nella teoria di Horndeski. L'obiettivo principale di questa testi è quello di studiare questi modelli tramite il tensor computer algebra xAct. In particolare, il nostro scopo sarà quello di implementare una procedura universale che permette di derivare, a partire dall'azione, le equazioni del moto e l'evoluzione temporale di qualunque modello generico.

One-loop quantum gravity in arbitrary dimensions

In the context of perturbative quantum gravity, the first three Seeley-DeWitt coefficients represent the counterterms needed to renormalize the graviton one-loop effective action in $D=4$ dimensions. A standard procedure to compute them is by means of the traditional heat kernel method. However, these coefficients can be studied also from a first quantization perspective through the so-called $\mathcal{N} = 4$ spinning particle model. It relies on four supersymmetries on the worldline and a set of worldline gauge invariances. In the present work, a different worldline model, able to reproduce correctly the Seeley-DeWitt coefficients in arbitrary dimensions, is developed. After a covariant gauge-fixing procedure of the Einstein-Hilbert action with cosmological constant, a worldline representation of the kinetic operators identified by its quadratic approximation is found. This quantum mechanical representation can be presented in different but equivalent forms. Some of these different forms are discussed and their equivalence is verified by deriving the gauge invariant counterterms needed to renormalize quantum gravity with cosmological constant at one-loop.