Meie kosmoloogia-uuringud võib kokku võtta nii: „Kasutame universumit laboratooriumina, et uurida kõrge energia alusfüüsikat.“
Nagu osakestefüüsikagi, on kosmoloogial oma standardmudel – ΛCDM – mille ennustused on olnud väga edukad. Kuid me saame hästi aru ainult ainult umbes 5% selle sisust, mida katab osakestefüüsika standardmudel. Ülejäänud 95% koosneb kahest mõistatuslikust komponendist: tumeaine ja tumeenergia, mis vastavalt moodustavad umbes 25% ja 70% universumi kogu energiatihedusest.
Seetõttu peame me otsima vastust järgnevatele küsimustele:
Et arvesse võtta vaadeldud suuremõõtmelist struktuuri ja selle arengut, peab tumeaine olema piisavalt külm, st. selle osakeste juhuslikud algkiirused peavad olema väikesed. Et jääda „tumedaks“, peavad tumeaine vastastikmõjud nähtava ainega olema tugevasti alla surutud. Kuid üllataval kombel võivad tumeaine vastastikmõjud iseendaga (peale gravitatsiooni) olla küllaltki tugevad. Lihtsaimal juhul võetakse, et tumeaine on külm ja põrkevaba graviteeruv gaas, mida tuntakse külma tumeainena (CDM). See on olnud standardne tumeaine paradigma juba nelikümmend aastat. CDM seletab kõige suuremate mõõtmetega objekte ülihästi. Kuid väiksematel skaaladel nagu kääbusgalaktikate või galaktikatuumade juures, on märgatud kõrvalekaldeid sellest.
Need võivad pärineda meie puudulikest arusaamadest nähtava sektori tagasiside efektide osas (nt. täheteke, supernoovade tagasiside või interaktsioonid üliraskete mustade aukudega). On ka teine võimalus: võib-olla peame muutma CDM paradigmat.
Võimalikud muudatused:
Soe tumeaine (WDM): tumeaine ei ole „külm“, lubame rohkem soojusliikumist.
Enesega vastastikmõjustuv tumeaine (SIDM): tumeaine ei ole põrkevaba.
Hägune tumeaine (FDM): anname tumeaine osakesele üliväikese massi, nii et selle de Broglie lainepikkus muutub võrreldavaks galaktikatuuma suurusega.
Ürgsed mustad augud (PBH): tumeaine võib koosneda makroskoopilistest objektidest nagu ürgsed mustad augud, mitte osakestet.
Tumeainega võrreldes on tumeenergia veelgi salapärasem. ΛCDM mudelis omistatakse tumeenergia vaakumi energiale Λ, millel on tugev peenhäälestuse probleem: miks on vaakumi energia nii väike hoolimata panustest, mis võiksid olla väga suured? Ühe võimaliku lahenduse pakub antroopsusprintsiip. Kuid elegantsem lahendus võib tulla sümmeetriast või mehhanismist, mis paneb Λ=0, kus tumeenergia tuleb dünaamilisest skalaarväljast nagu kvintessentsi mudelites.
Säärasel juhul muutub tumeenergia ajas, mida põhimõtteliselt võiks olla võimalik vaadelda. Hiljutised DESI andmed võivad näidata, et nii tõesti juhtub. Veel üks võimalus, mida meie rühm samuti uurib, on tumeenergia, mis tuleb üldrelatiivsusteooria muudatustest, mitte uuest energiakomponendist.
Kosmiline inflatisoon kirjeldab universumi ülikiiret kasvu väga varajastel ajahetkedel. See lahendab mitmed olulised kosmoloogilised mõistatused nagu kosmilise mikrolainetausta (CMB) ühtlus ja universumi ruumiline tasasus. Inflatsioon seletab ka suuremõõtmelise struktuuri algmeid. Kõige lihtsamad mudelid omistavad inflatsiooni tekke osakesele nimega inflaton, mille energiatihedus pani käima eksponentsiaalse paisumise. KBFI teadlased uurivad tähtsamaid inflatsioonimudeleid, võrdlevad neid eksperimentaalandmetega ja seovad neid teiste nähtustega nagu tumeaine, Higgsi füüsika jms.
Viimastel aastakümnetel on mustad augud olnud üks kiiremini kasvavaid astronoomia ja kosmoloogia valdkondi. Mustad augud on seotud teemadega nagu gravitatsioonilained, kosmiline inflatsioon, tumeaine, struktuuriteke ja kvantgravitatsioon. KBFI-s uurime ürgseid musti auke, mis võivad meile anda teadmisi eksootilisest varajase universumi füüsikast. Ürgsed mustad augud võivad ka olla tumeaine kandidaadid või üliraskete mustade aukude „seemned“. Gravitatsioonilainete andmete abil LIGO/Virgo/KAGRA detektoritest on pandud piiranguid tähe massiga ürgsete mustadele aukudele, kuna gravitatsioonilainete mõõtmised pulsarite ajastuse maatriksitest ja elektromagnetilised signaalid James Webbi kosmoseteleskoobist (JWST) on aidanud heita valgust galaktikate keskmete üliraskete mustade aukude tekkimise ja evolutsiooni võimalustele.
Kosmiline meedium CMB viimase hajumise pinna ja vaatleja vahel toimib loodusliku ionisatsioonikambrina, mille abil uurida eksootilisi energia-allikaid nagu:
Lagunev või annihileeruv tumeaine
Aurustuvad või ainet koguvad mustad augud.
Neeldumine ja kiirgamine 21 cm vesiniku spektrijoonel raadiolainealal toimib nende protsesside tundliku kalorimeetrina. Sarnaselt võivad gamma- või röntgenkiirte vaatlused näidata meile signaale tumeaine lagunemisest või annihileerumisest. Kosmiliste kiirte spektrid saab ksutada tumeda sektori energia-allikate uurimiseks.
Kõik mainitud kosmoloogia uurimissuunad on tugevalt seotud ja sünergias teiste teooriateemadega.
