Kosmologie und Strukturbildung von Skalarfeld-Dunkelmaterie

Die Natur der dunklen Materie (DM) im Universum stellt eine der grössten offenen Fragen in Kosmologie und Physik dar. Obgleich kosmologische Beobachtungen die gegenwärtige kosmische Energiedichte der DM mit hoher Präzision bestimmt haben, ist dessen Teilchennatur noch immer unbekannt. Die Standard-DM- Kandidaten sind schwach-wechselwirkende massive Teilchen von Erweiterungen des Standardmodells der Teilchenphysik, und sind die Grundlage des sogenannten Standardmodells der stossfreien, kalten dunklen Materie (KDM). Das KDM-Modell hat sich auf grossen kosmischen Skalen als erfolgreich erwiesen, doch seine Voraussagen auf kleineren, galaktischen Skalen haben sich nicht bestätigt: das KDM-Modell sagt weitaus mehr Satellitengalaxien voraus, als wir um die Milchstrasse, in unserer Lokalen Gruppe und darüber hinaus beobachten. Von KDM-Simulationen erwarten wir einen universellen Dichteverlauf der DM in und um Galaxien, mit einem scharfen Anstieg zum Zentrum hin. Im Gegensatz dazu beobachtet man in DM- dominierten Galaxien einen fast konstanten Dichteverlauf bis zu etwa 1 kpc vom Zentrum entfernt. Alle diese Hinweise gegen stossfreie KDM-Modelle haben die Forschergemeinde dazu angespornt alternative DM- Modelle zu studieren, welche diese Probleme lösen könnten. In diesem Elise-Richter-Antrag wollen wir unser Studium der Kosmologie und Strukturbildung eines dieser alternativen DM-Kandidaten fortsetzen, nämlich Skalarfeld-Dunkelmaterie (SFDM). SFDM besteht aus ultra-leichten Bosonen, welche auch von einigen Erweiterungen des Teilchenphysik-Standardmodells vorhergesagt werden. Um obige Probleme zu lösen müssen vielversprechende SFDM-Kandidaten eine charakteristische (Jeans-) Länge besitzen, welche gross genug ist, um Strukturbildung auf kleinen Skalen zu unterdrücken, und dies ist für viele dieser Kandidaten auch der Fall. Wir werden in diesem Projekt das Problem des Wachstums von Strukturen in einem Universum mit SFDM im Laufe seiner gesamten Entwicklung gründlich studieren. Wir werden im Besonderen den jetzigen Stand der Literatur erweitern, indem wir allgemeinere SFDM-Modelle betrachten, in welchen das DM-Skalarfeld auch complex sein kann (nicht nur reell), und in denen Zweier-Boson-Wechselwirkungen auch miteinbezogen werden. In solchen Modellen kann der Verlauf der Expansionsgeschichte anders aussehen, als im kosmologischen Standardmodell mit KDM, und wir werden dessen Einfluss auf Struktur- und Galaxienbildung erforschen. Zu diesem Zweck werden analytische Berechnungen als auch numerische Simulationen durchgeführt. Verschiedenste Beobachtungsdaten werden verwendet, um zu bestimmen inwieweit die Vorhersagen dieser SFDM-Modelle mit jenen Daten übereinstimmen. Damit wird die Frage geklärt werden, ob SFDM eine mögliche Lösung des Problems der dunklen Materie im Universum darstellt.

Die Natur der dunklen Materie (DM) im Universum ist eine der grössten offenen Fragen der Astronomie und Physik. Obgleich astronomische Beobachtungen die kosmische Energiedichte der DM mit hoher Präzision bestimmt haben, ist dessen Teilchennatur noch immer unbekannt. Schwach-wechselwirkende massive Teilchen, die in Erweiterungen des Standardmodells der Teilchenphysik vorhergesagt werden, gehören zu den prominentesten DM-Kandidaten. Diese begründen das Standardmodell der stossfreien, kalten dunklen Materie (CDM). Das CDM-Modell hat sich auf grossen, kosmologischen Skalen als erfolgreich erwiesen, doch sind seine Vorhersagen auf "kleinen", galaktischen Skalen durch Beobachtungen nicht bestätigt worden. Ausserdem wurden CDM-Teilchenkandidaten noch nicht detektiert. Daher sind in den letzten Jahren verschiedene Teilchen als Alternativen für die DM vorgeschlagen worden, die auch in Erweiterungen des Teilchen-Standardmodells begründet sind. Dieses Projekt beinhaltete das Studium der Dynamik einer grossen Klasse von Alternativen, nämlich Skalarfeld-Dunkelmaterie (SFDM), die aus (ultra-)leichten Bosonen besteht. Wir haben das Wachstum von galaktischen Strukturen - sogenannter DM-Halos - in einem Universum mit SFDM im Laufe seiner gesamten kosmischen Entwicklung gründlich studiert, indem wir analytische Berechnungen und numerische Simulationen durchgeführt haben. Indem wir die theoretischen Vorhersagen mit astronomischen Observablen verglichen haben, konnten wir auf diese Weise starke Zwangsbedingungen an SFDM-Modelle aufstellen, die weit über jene hinausgehen, die schon in der Literatur vorhanden waren. Obgleich es immer noch möglich ist, dass SFDM die dunkle Materie im Universum sein könnte, haben wir den verfügbaren Parameterraum von SFDM-Modellen signifikant eingeschränkt. Einige der neuen Erkenntnisse beinhalten z.B. folgende Punkte: i) Die Menge an Strukturbildung zwischen CDM und SFDM-Modellen variiert stark, je nach dem Grad der Selbstwechselwirkung zwischen den Bosonen. Es bleibt daher offen, inwieweit SFDM-Modelle die Beobachtungen von Zwerggalaxien besser beschreiben als CDM. ii) Im Zentrum galaktischer SFDM-Halos entstehen trotz hoher Drehimpulse keine Wirbeln bei Abwesenheit von Selbstwechselwirkung, obwohl solche Wirbeln zuhauf in den äusseren Bereichen entstehen. Dies wurde vormals durch Simulationen entdeckt, wir können es aber auch physikalisch erklären. iii) Je nach SFDM-Modell könnten die Zentralbereiche galaktischer Halos einen Gravitationskollaps erfahren und dadurch supermassereiche Schwarze Löcher bilden, die ja auch in den Zentren von Galaxien beobachtet werden. iv) Wir entwickelten neue, "vergröberte", hydrodynamische Modelle für SFDM-Halos, die sich in der Zukunft auch für andere physikalische Systeme als nützlich erweisen könnten, v.a. für solche mit hohem Turbulenzgrad.