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Non-linear structure formation in models of Dark Energy and Modified Gravity

Casas Castro, Santiago

German Title: Nicht-lineare Strukturentstehung in Modelle für Dunkle Energie und modifizierte Schwerkraft

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PDF, English (PhD dissertation) - main document
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Abstract

In this thesis we investigate the importance of non-linear structure formation on the determination of cosmological parameters for models beyond the standard ΛCDM scenario. Future galaxy surveys will be able to determine the two-point correlation function of more than 10^7 galaxies in a very precise way. Extracting the information encoded in this function at small scales, allows us to constrain the underlying cosmological model. Here we consider different models beyond ΛCDM: Coupled Dark Energy, Growing Neutrino Quintessence, Effective Field Theory, Horndeski theory and general phenomenological parameterizations of Modified Gravity. To study the non-linear effects in these models, we use different methodologies: fitting formulae, semi-analytic prescriptions based on the Halo model, resummation methods in cosmological perturbation theory and specialized N-body simulations. In order to forecast the constraining power of next-generation surveys, such as Euclid, SKA and DESI, we developed a code that uses the Bayesian Fisher matrix for- malism to compute the inferred error on the parameters for Galaxy Clustering and Weak Lensing observables. For Modified Gravity we study the effect that different parameterizations and different non-linear prescriptions have on the Fisher forecasts. We obtain the best combination of redshift-binned parameters which will be measured by future experiments. Within the Coupled Dark Energy scenario we perform the first forecasts using fitting formulae from N-body simulations and show that using non-linear scales improves the constraints by more than an order of magnitude compared to linear forecasts. In the Growing Neutrino Quintessence model, we use non-Newtonian N-body simulations to study the different regimes for the dynamics of neutrino lumps. We show that there are viable cosmologies within this model and that the lump interactions induce a heating of the neutrino fluid. Finally, we also study analytically the non-linear corrections to the power spectrum in the case of Horndeski theory under the quasistatic approximation. To achieve this, we apply a resummation method for higher order perturbation theory, which had so far only been employed within the standard cosmological model. The main message of this thesis is that non-linear structure formation has a significant impact on cosmological parameter estimation. In order to discriminate between competing theories, using forthcoming data, we need to take non-linearities and their implications into account.

Translation of abstract (German)

Im Rahmen dieser Arbeit untersuchen wir die Relevanz der nicht-linearen Strukturentstehung zur Bestimmung von kosmologischen Parametern in Modellen jenseits des Standard-ΛCDM-Szenarios. Zukünftige Galaxiendurchmusterungen werden die Zwei-Punkt-Korrelationsfunktion von mehr als 107 Galaxien sehr präzise messen können. Die Gewinnung der in dieser Funktion kodierten Information auf kleinen Skalen ermöglicht die Eingrenzung des zugrundeliegenden kosmologischen Modells. Dabei betrachten wir verschiedene Modelle jenseits ΛCDM: CDE (Coupled Dark Energy), GNQ (Growing Neutrino Quintessence), EFT (Effektive Feldtheorie), Horndeski-Theorie und allgemeine phänomenologische Parametrisierungen für modifizierte Schwerkraft. Um die nicht-linearen Effekte in diesen Modellen zu analysieren, benutzen wir verschiedene Methoden: Anpassformeln, semi-analytische Präskriptionen, die auf dem Halo-Modell basieren, Resummationsmethoden für die kosmologische Störungstheorie und spezialisierte N-body- Simulationen. Um die Eingrenzungsstärke der Durchmusterungen der nächsten Generation (z.B. Euclid, SKA und DESI) vorherzusagen, haben wir einen Code entwickelt, der den Bayesschen Fisher-Matrix-Formalismus benutzt. Damit lassen sich die abgeleiteten Fehler in den Parametern berechnen, die durch den Gravitationslinseneffekt und durch die Beobachtung der Galaxien-Häufung gewonnen werden können. Wir untersuchen hinsichtlich der modifizierten Schwerkraft die Auswirkungen, die verschiedene Parametrisierungen und nicht-lineare Präskriptionen auf die Fisher-Prognosen haben. Damit erhalten wir die besten Kombinationen aus “Redshift-binned”-Parametern, die in zukünftigen Experimenten gemessen werden können. Im “Coupled Dark Energy”-Szenario führen wir die ersten Prognosen durch, in denen die Anpassformeln aus N-body-Simulationen verwendet werden. Dabei zeigt sich, dass nicht-lineare Skalen die Eingrenzungen um mehr als eine Größenordnung im Vergleich zu den linearen Prognosen verbessern. Im GNQ-Modell benutzen wir nicht-Newtonsche N-body-Simulationen, um die verschiedenen Strukturen der Dynamik von Neutrinoklumpen zu untersuchen. Wir zeigen, dass es in diesem Modell realisierbare Kosmologien gibt und dass die Wechselwirkungen der Klumpen eine Erhitzung der Neutrino-Flüssigkeit induzieren. Abschließend untersuchen wir die nicht-linearen Korrekturen am Leistungsspektrum im Falle der Horndeski-Theorie unter Berücksichtigung der quasistatischen Annahme. Um das zu erreichen, verwenden wir eine Resummationsmethode für Störungstheorien höherer Ordnung, die bislang nur im kosmologischen Standardmodell eingesetzt wurde. Die Hauptthese dieser Dissertation ist, dass die nicht-lineare Strukturenstehung einen signifikanten Einfluss auf die Schätzung der kosmologischen Parameter hat. Wenn wir unter Einbeziehung der zu erwartenden Daten aus den konkurrierenden Theorien auswählen wollen, müssen wir Nicht-Linearitäten und ihre Implikationen berücksichtigen.

Item Type: Dissertation
Supervisor: Pettorino, Dr. Valeria
Date of thesis defense: 14 June 2017
Date Deposited: 26 Jun 2017 10:33
Date: 2017
Faculties / Institutes: The Faculty of Physics and Astronomy > Institute for Theoretical Physics
Subjects: 530 Physics
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