Dark Acoustic Oscillations in Structure Formation: The High Redshift Universe

Sebastian Bohr

Research output: Types of ThesisPh.D. Thesis

Abstract

The nature of dark matter (DM) as a particle is still an unresolved mystery in Physics. Therefore, a vast amount of competing particle models have been proposed. A promising category among these models are those that include relevant collisional damping in the primordial power spectrum due to the interactions with relativistic particles in the early Universe. This damping is reflected in the DM distribution as dark acoustic oscillations (DAOs) before the onset of structure formation (analogous to the baryonic acoustic oscillations in the photon-baryon plasma, but at smaller, galactic scales) which are potentially observable. In this Thesis, two effective parameters are proposed that fully describe DAO models based on their key features in the linear power spectrum: the amplitude/height (relative to the Cold Dark Matter expectations) and scale of their primary DAO peak (effectively setting the cut-off scale for structure formation). In the limit of a peak height of zero, this parametrization also includes warm dark matter (WDM), which has a very different particle origin with a collisionless damping and a featureless cut-off in the power spectrum. A large suite of tailored N-body zoom-in simulations is used to cover the DAO parameter space that is still unconstrained, but relevant for galaxy formation. A novel (scale-dependent) way to compare different structure formation is introduced that makes it possible to identify the regions of distinct non-linear structure formation at high redshifts z≳5 based on statistical measures such as the non-linear power spectrum and the halo mass function. It is found that for a large part of the DAO parameter space, the non-linear power spectrum is actually indistinguishable from WDM models and only a small region of the models with the strongest DAOs has a distinct power spectrum (this region shrinks as the redshift becomes lower). However, the halo mass function breaks this WDM-DAO degeneracy and even the weakest DAO models show a distinct slope in the halo mass function for low-mass haloes, as long as the DAO scale is large enough. With these results, the proposed parametrization offers a quick way to connect a specific DM particle model to its linear power spectrum and from there (using the suite of simulations performed in this Thesis) to the non-linear power spectrum and halo mass function. It is also shown that the properties of DAO haloes can be well described by the extended Press-Schechter (EPS) formalism using a smooth-k filter. On the other hand, the structure of haloes within the DAO cosmology is well described by the well-known Navarro-Frenk-White profile (widely used in Cold Dark Matter, CDM). Relative to CDM, low-mass haloes in DAO models have a a lower concentration, which is also well approximated by the concentration-mass relation predicted by the EPS model and a simple mass assembly model based on hierarchical structure formation. These results can be used to perform inexpensive calculations of the (high-redshift) halo mass function and concentration-mass relation instead of computationally expensive N-body simulations for virtually all the DAO parameter space explored in this Thesis. Finally, we show that truly distinct strong DAO features can potentially survive in the 1D Flux power spectrum down to redshifts probed by the Lyman-α forest (z=3-5.4) and upcoming 21-cm observations at the cosmic dawn (z=10-25). Future dedicated simulations including baryonic physics within the template provided in this Thesis should be able to give a detailed prediction for these possible observational signatures, to be searched for in future observations.
Eðli hulduefnis er enn óleyst ráðgáta innan eðlisfræðinnar og því hefur verið stungið upp á ógrynni líkana til að lýsa því. Eitt þeirra sem lofar góðu, inniheldur hulduefni sem víxlverkar við afstæðilegar eindir í hinum unga alheimi. Þessi víxlverkun endurspeglast í dreifingu hulduefnis sem þrýstingssveiflur (e. DAO) áður en uppbygging alheimsins hefst og er hugsanlega mælanleg. Í þessari ritgerð eru kynntar tvær breytur sem lýsa að fullu DAO líkönum út frá sérkennum þeirra í aflrófinu: útslagi og hæð megintopps DAO. Sérsniðin hermilíkön eru síðan nýtt til að rannsaka breyturými DAO sem tengist myndun vetrarbrauta. Kynnt er ný aðferð til að bera saman mismunandi formgerðir alheimsins. Hún gerir það mögulegt að bera kennsl á svæði með ólínulegri uppbyggingu formgerðar við há rauðvik (z & 5); er þetta byggt á tölfræðilegum mælikvörðum eins og ólínulega aflrófinu og massadreifingarreglu hjúpsins. Ein af niðurstöðunum er sú að fyrir stóran hluta breyturýmis DAO er ólínulega aflrófið í raun óaðgreinanlegt frá líkönum sem innihalda svokallað volgt hulduefni. Auk þess hefur aðeins lítill hluti af þeim líkönum með kröftugustu DAO, auðgreinanlegt aflróf. Hins vegar brýtur massadreifingregla hjúpsins margfeldnina á milli DAO og volgs hulduefnis. Þessar niðurstöður sýna að hægt er að nota áðurnefndar breytur á skjótan hátt til að tengja ákveðið hulduefnislíkan við línulega aflrófið og þaðan (með því að nota hermilíkönin í þessri ritgerð) við ólínulega aflrófið og massadreifingarreglu hjúpsins. Einnig er sýnt fram á hægt er að lýsa eiginleikum DAO hjúpa með útvíkkaðri aðferðarfræði Press-Schechter með því að nota slétta k síu. Aftur á móti er formgerð hjúpa innan DAO-heimsfræði lýst vel með hinu þekkta Navarro-Frenk-White sniði (mikið notað í köldu hulduefni). Miðað við kalt hulduefni, er samansöfnun hjúpa með lágan massa minni en í DAO líkönum. Þessar niðurstöður er hægt að nýta til að framkvæma hagkvæma útreikninga, við hátt rauðvik, á massadreifingarreglu hjúpsins og massa-samansöfnunar sambandinu, í stað keyrslu hermilíkana sem kosta mikinn reiknitíma í tölvum. Þetta á við um nánast allt DAO breyturýmið sem kannað er í þessari ritgerð. Að lokum sýnum við að ákveðnir eiginleikar DAO geta hugsanlega lifað af í 1D aflrófinu, niður í rauðvik sem kannað er með Lyman-α skóginum (z = 3 − 5.4) og komandi 21-cm athugunum (z = 10−25). Væntanleg hermilíkön sem taka eðlisfræði þungeinda með í reikninginn, innan þess ramma sem settur er fram í þessari ritgerð, ættu að geta spáð ítarlega fyrir um væntanlegar mæliniðurstöður sem leitað verður í náinni framtíð.
Original languageEnglish
Publisher
Print ISBNs978-9935-9564-6-0
Publication statusPublished - Jul 2021

Other keywords

  • Dark Matter
  • Eðlisfræði
  • Hulduefni
  • Hermilíkön
  • Doktorsritgerðir

Fingerprint

Dive into the research topics of 'Dark Acoustic Oscillations in Structure Formation: The High Redshift Universe'. Together they form a unique fingerprint.

Cite this