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Gravitational contraction and galaxy formation in scalar field dark matter cosmologies
Kevin Pils
Art der Arbeit
Masterarbeit
Universität
Universität Wien
Fakultät
Fakultät für Geowissenschaften, Geographie und Astronomie
Studiumsbezeichnung bzw. Universitätlehrgang (ULG)
Masterstudium Astronomie
Betreuer*in
Tanja Rindler-Daller
DOI
10.25365/thesis.70595
URN
urn:nbn:at:at-ubw:1-11232.71555.954737-7
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(Print-Exemplar eventuell in Bibliothek verfügbar)
Abstracts
Abstract
(Deutsch)
Unser derzeitiges Verständnis des Universums basiert auf der Annahme, dass dunkle Materie die baryonische Materie um einen Faktor 5 überwiegt, was zur Entwicklung einer Vielzahl von Theorien zur Erklärung dieser “fehlenden Masse” führte. eutzutage hat sich das ΛCDM-Modell aufgrund seiner Fähigkeit, das Universum auf großen Skalen korrekt zu beschreiben, als das Standardmodell der Kosmologie etabliert. Trotz seines Erfolgs, gestützt sowohl durch Beobachtungen als auch Simulationen, ist es nicht in der Lage, die Struktur auf Skalen von Zwerggalaxien genau zu beschreiben; diese Abweichungen werden üblicherweise
als “small-scale problems” bezeichnet. Als mögliche Lösung dieser Probleme kam in den letzten Jahren die sogenannte Skalarfeld-Dunkle Materie (SFDM, auch Bose-Einstein-kondensierte Dunkle Materie (BECDM) oder ψDM genannt) immer mehr in den Fokus. In dieser Arbeit untersuchen wir die Entwicklung der SFDM-Halodichte und der dazugehörigen Geschwindigkeitsprofile als Folge der adiabatischen Kontraktion (AC), wie sie zuvor für die im Standardmodell beschriebene (d.h. stoßfreie) dunkle Materie untersucht wurden. Wir bieten eine gründliche Berechnung mehrerer wichtiger physikalischer Größen basierend auf der Grundlage der Gross-Pitaevskii-Poisson-Gleichungen, gefolgt von
Berechnungen der Wirkungsintegrale im Rahmen der Quanten-Hamilton-Jacobi-Gleichung solcher Systeme. Diese Wirkungen werden anschließend numerisch gelöst, um die Gültigkeit der Annahmen zu überprüfen, die für adiabatische Kontraktion benötigt werden. Wir testen diese Kontraktion für SFDM-Halos im
Thomas-Fermi Regime, in dem es zu “stark abstoßenden” Wechselwirkungen der Teilchen kommt, und für einen großen Bereich von Kernradien, RTF = 0.1 − 4 kpc, welche typischerweise in Zwerggalaxien gefunden werden. Wir zeigen,
dass die Berücksichtigung von Baryonen die “small-scale problems” für typische “cusp-core”-Halos mit M200 ∼ 10^11M⊙ verschärft, wenn letztere kleine Kernradien aufweisen. Im Gegensatz dazu führen jedoch Halos mit Kernradien im kpc-Bereich zu Rotationskurven die sich mit Beobachtungen decken, selbst wenn Baryonen einbezogen werden. Dies ist weder für das Standardmodell der dunklen Materie, noch for Fuzzy Dark Matter (FDM), dem wechselwirkungsfreien Regime von SFDM, der Fall. In Anbetracht der neuesten Erkenntnisse zum Thomas-Fermi Regime, welche zeigen, dass sub-kpc-Halokerne bevorzugt
werden, könnten unsere Ergebnisse schwerwiegende Einschränkungen für den Parameterbereich der Kernradien im SFDM-Modell implizieren.
Abstract
(Englisch)
Our current understanding of the Universe is based on the assumption that dark matter outweighs baryonic matter by a factor of 5, leading to the development of a multitude of theories to explain this “missing mass”. Nowadays, the ΛCDM model has been established as the Standard Model of Cosmology due to its
ability to correctly describe the Universe on large scales. Despite its success, backed by observations and simulations, it is unable to accurately describe structure on the scale of dwarf galaxies; these deviations are usually denoted as the small-scale problems. In recent years, scalar field dark matter (SFDM, also Bose-Einstein condensed dark matter (BECDM) or ψDM) has been widely studied as a possible solution of these problems. In this work we investigate the evolution of SFDM halo density and circular velocity profiles through adiabatic contraction (AC), as has been studied before for standard (collisionless) CDM. We provide a thorough calculation for several key quantities based on the foundation of the Gross-Pitaevskii-Poisson equations, followed by calculations of the action integrals in the Quantum-Hamilton-Jacobi framework of such systems. These actions are then solved numerically, to verify the validity of the assumptions going into AC. We test AC for SFDM haloes in the “strongly
repulsive” self-interacting limit, known as the Thomas-Fermi regime, with a wide range of core radii, RTF = 0.1 − 4 kpc, typically found in dwarf galaxies. We show that the inclusion of baryons exacerbates the small-scale problems for typical cusp-core haloes of M200 ∼ 10^11M⊙ when small core radii are considered. However, kpc-sized cores lead to rotation curves in accordance with observations even when including baryons, which is not the case for CDM or fuzzy dark matter (FDM), the non-interacting limit of SFDM. Considering recent research
on the Thomas-Fermi regime that favours sub-kpc cores, our findings may imply severe constraints for the parameter range of core sizes in the SFDM model.
Schlagwörter
Schlagwörter
(Englisch)
Scalar field dark matter galaxy formation adiabatic contraction
Schlagwörter
(Deutsch)
Skalarfeld-Dunkle Materie Galaxienentstehung Adiabatische Kontraktion
Autor*innen
Kevin Pils
Haupttitel (Englisch)
Gravitational contraction and galaxy formation in scalar field dark matter cosmologies
Paralleltitel (Deutsch)
Gravitationelle Kontraktion und Galaxienentstehung in Skalarfeld-Dunkle Materie Kosmologien
Publikationsjahr
2021
Umfangsangabe
x, 77 Seiten : Illustrationen
Sprache
Englisch
Beurteiler*in
Tanja Rindler-Daller
AC Nummer
AC16497008
Utheses ID
60845
Studienkennzahl
UA | 066 | 861 | |