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Multimessenger constraints of modified gravity

Applicant Heisenberg Lavinia
Number 179740
Funding scheme PRIMA
Research institution Institut für Theoretische Physik ETH Zürich
Institution of higher education ETH Zurich - ETHZ
Main discipline Theoretical Physics
Start/End 01.09.2018 - 31.08.2023
Approved amount 1'386'972.00
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All Disciplines (2)

Discipline
Theoretical Physics
Astronomy, Astrophysics and Space Sciences

Keywords (10)

Theoretical Cosmology; Geometrical probes; Gravitational waves; Large Scale Structure; Modified Gravity; Classical and quantum stability; Boltzmann codes; N-body simulations; Cosmic structure formation; Dark Energy

Lay Summary (German)

Lead
Die zugrundeliegende Physik auf kosmologischen Skalen wird durch das Standardmodell der Urknall-Kosmologie auf der Grundlage von zwei fundamentalen Annahmen beschrieben: die Allgemeine Relativitätstheorie und das kosmologische Prinzip, das besagt, dass das Universum auf kosmologischen Skalen räumlich homogen und isotrop ist. Kosmologische Beobachtungen haben das Standard-?CDM-Modell der Kosmologie, das eine späte Expansion des Universums erfordert, fest etabliert. Dennoch zwingt uns dieses einfache Bild, drei unbekannte Bestandteile einzuführen: Dunkle Energie, Dunkle Materie und das Inflaton-Feld. Trotz vieler Jahre der Forschung wurde deren Herkunft noch nicht identifiziert und die zugrundeliegenden Annahmen müssten eventuell modifiziert werden.
Lay summary

Inhalt und Ziel des Forschungsprojekts

Das Hauptziel des PRIMA Projektes ist es, die fundamentalen Eigenschaften von Feldtheorien der Raumzeit, ihre kosmologischen Konsequenzen und anhand welcher Evidenz sich Ihre Gültigkeit manifestiert, zu untersuchen. Unser Ansatz zielt darauf ab, die nächste Generation von kosmologischen und astrophysikalischen Beobachtungen zu verwenden, um die Gültigkeit der Allgemeinen Relativitätstheorie auf Skalen zu testen, wo sie noch nicht vollständig getestet wurde, und ihre Widerstandsfähigkeit gegenüber alternativen Theorien mit Modifikationen auf kosmologischen Skalen zu überprüfen.

 

Wissenschaftlicher und gesellschaftlicher Kontext des Forschungsprojekts

Am Ende werden wir einen umfassenden Überblick über eine konzeptionell vollständige Landschaft von Theorien und ihren Konsequenzen haben. Große Gebiete dieser Landschaft werden aufgrund rein theoretischer Grundlagen endgültig ausgeschlossen. Dies ist die erste Möglichkeit, mehrere Einschränkungen der Schwerkraft aus ausreichend guten und reichen Daten zu kombinieren, und somit werden enge empirische Beschränkungen für umfassende Klassen von Theorien verfügbar werden.

Direct link to Lay Summary Last update: 21.08.2018

Responsible applicant and co-applicants

Employees

Abstract

The main goal of this project is to study the fundamental properties of field theories of space-time, their cosmological consequences and observational signatures. My approach aims to use the next generation of cosmological and astrophysical observations to test the validity of General Relativity on scales where it has not been fully tested yet and its resilience against alternative theories with modifications on cosmological scales.I will first study the implications of the quantum aspects of modified gravity theories beyond the tree level analyses for their viability, consistency and predictability. This will reduce the allowed alternative theories significantly. I will then investigate the physical consequences of these theoretically promising theories for cosmological and astrophysical scenarios. As part of my approach, I will use large galaxy surveys to constrain effects on the dynamics of cosmic structure formation from these modifications of gravity. In addition, I will confront modified theoretical predictions with Planck measurements of the Cosmic Microwave Background, type-Ia supernova data, measurements of the Baryon Acoustic Oscillations and gravitational lensing. Along the way, my group and I will crucially contribute to the development of the necessary analytical and numerical tools to exhaustively analyze such data in the search for modifications of gravity.In addition, the recent detection of gravitational waves by the LIGO team has paved an exciting new avenue for testing gravitational theories. These new observations will put even more stringent constraints on alternative theories. As part of the proposed research, I will also extensively exploit this new observational channel to test the validity of General Relativity and put new effects of modified gravity on trial. In particular, the propagation speed of tensor perturbations in modified gravity theories will be severely restricted by observations of gravitational waves.
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