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Evolution and observational signatures of cosmic structures

Jürgens, Gero

German Title: Entwicklung und beobachtbare Signaturen kosmischer Strukturen

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Abstract

Two main topics form the content of this thesis. In the first part, non-linear cosmological structure formation is studied within the time renormalization group (TRG) formalism. The tree-level perturbative trispectrum was included in the time evolution of the bispectrum. Using Gaussian initial growing mode conditions we achieved an improvement in the predictions of the dark matter power spectrum in the mildly non-linear regime. We reached percent accuracy for wave numbers k < 0:18 h/Mpc for redshift z = 1, while for k > 0:25 h/Mpc the perturbative description of the trispectrum breaks down. Our results emphasize the importance of higher order correlators for the non-linear power spectrum evolution, but the fast increase in numerical cost limits the applicability of the TRG method. Subject of the second part are signal-to-noise estimates for possible cross-correlation measurements between the integrated Sachs-Wolfe (iSW) effect and the tracer galaxy density field assuming data from the Planck mission and a Euclid-like galaxy survey. Orthogonalized polynomial line-of-sight weighting functions for the galaxy field are employed to resolve tomographical information of the cross-spectrum. For the equation-of-state parameter w = -0.9 our tomographic method provides a 15% increase in the signal-to-noise ratio Sigma of the cross-spectrum (10% for w = -1.0). Furthermore, cross-bispectra and cross-trispectra are studied with respect to a possible detection of the non-linear iSW effect. Finding values of Sigma = 0.83 for the mixed bispectrum <tau gamma^2> and Sigma = 0.19 in case of the trispectrum <tau gamma^3>, the effect has to be regarded as undetectable in correlations with future galaxy surveys.

Translation of abstract (German)

Zwei Themen bilden den Inhalt dieser Arbeit. Im ersten Teil untersuchen wir nichtlineare kosmische Strukturbildung mit Hilfe von Zeitrenormierungsgruppen (TRG). Hierbei wurde zusätzlich das störungstheoretische tree-level Trispektrum in der Zeitentwicklungsgleichung für das Bispektrum berücksichtigt. Unter Annahme Gaußscher Anfangsbedingungen wurde eine signifikante Verbesserung in der Vorhersage des Leistungspektrums von dunkler Materie erzielt. Bei Rotverschiebung z = 1 lag die Genauigkeit für Wellenzahlen im Bereich k < 0.18 h/Mpc bei 1%. Für größere Wellenzahlen, k > 0.25 h/Mpc, hingegen bricht die störungstheoretische Beschreibung des Trispektrums zusammen. Unsere Ergebnisse bekräftigen die Bedeutung von Korrelatoren höherer Ordnungen für die nichtlineare Entwicklung des Leistungsspektrums. Allerdings beschränkt diesbezüglich der schnelle Anstieg von numerischem Rechenaufwand den Anwendungsbereich der TRG-Methode. Im Mittelpunkt des zweiten Teils stehen Schätzungen von Signal-Rausch-Verhältnissen möglicher Messungen von Kreuzkorrelatoren zwischen dem integrieten Sachs-Wolfe (iSW) Effect und dem Dichtefeld von Markierergalaxien unter Annahme von Daten aus der Planck-Mission und Galaxiendurchmusterungen ähnlich zu Euclid. Orthogonale Polynome wurden als Sichtlinienwichtungsfunktionen für das Galaxienfeld benutzt, um tomographische Informationen des Kreuzspektrums aufzulösen. Bei einem Zustandsgleichungsparameter w = -0.9 bewirkte unsere tomographische Methode einen Anstieg von 15% im Signal-Rausch-Verhältnis Sigma des Kreuzspektrums (10% für w = -1.0). Desweiteren wurden Kreuzbispektren und Kreuztrispektren hinsichtlich einer möglichen Messung des nichtlinearen iSW-Effekts untersucht. Wegen der geschätzten Signal-Rausch-Verhältnisse von Sigma = 0.83 für das gemischte Bispektrum <tau gamma^2> und von Sigma = 0.19 für das gemischte Trispektrum <tau gamma^3> betrachten wir den Effekt als nicht messbar in Korrelationen selbst mit zukünftigen Galaxiendurchmusterungen.

Item Type: Dissertation
Supervisor: Bartelmann, Prof. Dr. Matthias
Date of thesis defense: 23 January 2013
Date Deposited: 28 Feb 2013 07:43
Date: 2013
Faculties / Institutes: Service facilities > Zentrum für Astronomie der Universität Heidelberg (ZAH) > Institute of Theoretical Astrophysics
Subjects: 530 Physics
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