Die Natur der dunklen Materie und Strukturbildung

Die Natur der dunklen Materie (DM) im Universum ist eine der grössten offenen Fragen in Kosmologie und Physik. Obgleich astronomische Beobachtungen die gegenwärtige 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 (KDM). Das KDM-Modell hat sich auf grossen kosmischen Skalen als erfolgreich erwiesen. Die Gültigkeit seiner Vorhersagen auf kleinen, galaktischen Skalen wird aber durch Beobachtungen ständig in Frage gestellt: Um Galaxien in der Grösse unserer Milchstrasse sagt KDM weitaus mehr Satellitengalaxien voraus, als wir 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. Weiters hat man in den Satellitengalaxien um der Milchstrasse eine gemeinsame Massenskala identifiziert, obwohl sich deren Leuchtkräfte um bis zu vier Grössenordnungen unterscheiden. Alle diese Hinweise deuten darauf hin, dass es eine unbekannte charakteristische Längenskala für das Wachstum von DM-Strukturen gibt. Diese Längenskala steht im Widerspruch zu stossfreien KDM- Modellen. Daher sind verschiedene Alternativen für die DM vorgeschlagen worden. Dieses Projekt beinhaltet das Studium und die Analyse der Strukturbildung einer dieser Alternativen, nämlich Skalarfeld-Dunkle- Materie (SFDM). SFDM besteht aus ultraleichten Bosonen, die früh in der Entwicklung des Universums in ihren Grundzustand kondensiert sind. Auch SFDM erscheint in Erweiterungen des Teilchen-Standardmodells. Das QCD-Axion ist das bekannteste Beispiel, und ist in der Tat einer der bedeutsamsten DM-Kandidaten. Aussichtsreiche SFDM-Kandidaten, welche obige Probleme lösen könnten, müssen aber eine viel kleinere Masse als das QCD-Axion aufweisen. Dann kann die Längenskala unterhalb derer Strukturbildung unterdrückt ist mit den Beobachtungen übereinstimmen. Wir planen in diesem Projekt die erste kohärente und vollständige Analyse des Wachstums von linearen und nichtlinearen Störungen, also des Wachstums von Strukturen in einem Universum mit SFDM im Laufe seiner gesamten Entwicklung. Zu diesem Zweck werden analytische Berechnungen als auch numerische Simulationen durchgeführt, welche mit Beobachtungsdaten verglichen werden. Dies erlaubt uns zu bestimmen, ob SFDM unsere Beobachtungen von galaktischen und kosmologischen Skalen konsistent reproduzieren kann, und damit eine mögliche Lösung des Problems der DM im Universum darstellt.

Die Natur der dunklen Materie (DM) im Universum ist eine der grössten offenen Fragen der Kosmologie 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 kosmischen 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 Standardmodells begründet sind. Dieses Projekt beinhaltete das Studium einer grossen Klasse von Alternativen, nämlich Skalarfeld-Dunkelmaterie (SFDM), die aus ultraleichten Bosonen besteht. Wir haben uns in diesem Projekt auf die kosmologischen Konsequenzen von SFDM konzentriert. Zu diesem Zweck wurden analytische als auch numerische Berechnungen durchgeführt, die mit Daten verglichen wurden, um zu bestimmen, ob SFDM die Beobachtungen von galaktischen und kosmologischen Skalen konsistent reproduzieren kann. Obgleich es immer noch möglich ist, dass SFDM die dunkle Materie im Universum sein könnte, haben wir gezeigt, dass der erlaubte Parameterraum von SFDM-Modellen signifikant eingeschränkt ist. Vormalige Behauptungen, wonach SFDM- und CDM-Modelle eine mehr oder weniger gleiche, kosmologische Entwicklung vorhersagen, haben sich daher als haltlos erwiesen. Wir verwendeten kosmologische Beobachtungen aus der Urknall-Nukleosynthese, der kosmischen Mikrowellenhintergrundstrahlungund desstochastischen Gravitationswellenhintergrunds aus der Zeit der Inflation. Wir konnten zeigen, dass letzterer in SFDM-Kosmologien verstärkt wird. Während die ersteren Observablen auch von anderen Forschern in der Vergangenheit verwendet wurden, haben wir erstmals in diesem Projekt demonstriert, dass Gravitationswellenmessungen durch LIGO/Virgo schon heute eine neue Form von kosmologischen Zwangsbedingungen an SFDM-Modelle stellt! Zukünftige LIGO/Virgo Messphasen als auch das zukünftige Weltraumexperiment LISA werden den zugänglichen Parameterraum noch weiter vergrössern und vermessen können, um damit diese einzigartige Signatur von SFDM-Modellen zu detektieren, oder aber noch mehr vom Parameterraum auszuschliessen. Gravitationswellenmessungen haben demnach direkte Folgerungen für die Erforschung und mögliche Erklärung der dunklen Materie ! Die modifizierte Expansionsgeschichte von SFDM-Modellen betrifft weitere Prozesse im frühen Universum. Wir konnten zeigen, dass die Baryonasymmetrie ein weiteres, offenes Problem der modernen Kosmologie-, auch während des elektroschwachen Phasenübergangs (der nicht 1.Ordnung ist) erhalten werden kann. Denn die Expansionsrate in SFDM-Kosmologien kann viele Grössenordnungen höher sein, als im kosmologischen Standardmodell.SFDM könnte also die Erklärung für viele, a priori nicht- zusammenhängende Rätsel der modernen Physik liefern.