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Structure Formation in Dark and Baryonic Matter within Resummed Kinetic Field Theory

Lilow, Robert

German Title: Strukturbildung in dunkler und baryonischer Materie in Resummierter Kinetischer Feldtheorie

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Abstract

We combine a novel approach to cosmic structure formation called Kinetic Field Theory (KFT) with resummation methods to investigate the small-scale structure formation in dark and baryonic matter. For pure dark matter, we compute the first nonlinear corrections to the density contrast power spectrum and compare these to the results obtained in standard Eulerian perturbation theory (SPT). We find that we can precisely reproduce the SPT 1-loop result if we adopt the same expansion scheme as SPT. However, we also show that the natural expansion scheme of resummed KFT is actually fundamentally different and might thus be able to overcome the problems of SPT when trying to describe nonlinear structure formation. To describe the effect of baryons, we demonstrate how isothermal and adiabatic gas dynamics can be implemented consistently into resummed KFT and how a system of gravitationally coupled dark and baryonic matter can generally be treated in this framework. In the isothermal case, we further investigate the linear evolution of this coupled system in a cosmological setting. Our results show a suppression of the baryonic power spectrum on scales below approximately 1 Mpc/h which is qualitatively comparable to simulation results but underpredicts the effect by nearly an order of magnitude. Furthermore, simulations show an enhancement of the dark matter power spectrum absent in our results. We expect these deviations to decrease once adiabatic gas dynamics and nonlinear corrections are taken into account.

Translation of abstract (German)

Wir kombinieren einen neuen Ansatz zur Beschreibung kosmischer Strukturbildung, Kinetische Feldtheorie (KFT) genannt, mit Resummierungsmethoden, um die kleinskalige Strukturbildung in dunkler und baryonischer Materie zu untersuchen. Für reine dunkle Materie berechnen wir die ersten nichtlinearen Korrekturen zum Leistungsspektrum des Dichtekontrasts und vergleichen diese mit den Ergebnissen der Eulerschen Standard-Störungstheorie (SPT). Es stellt sich heraus, dass wir die 1-Schleifen-Resultate aus SPT exakt reproduzieren, wenn wir das gleiche Expansionsschema wie SPT verwenden. Allerdings zeigen wir auch, dass sich das natürliche Expansionsschema der resummierten KFT davon grundlegend unterscheidet und deshalb möglicherweise dazu in der Lage ist, die Probleme zu überwinden, die SPT bei der Beschreibung nichtlinearer Strukturbildung hat. Zur Beschreibung baryonischer Effekte demonstrieren wir, wie isotherme und adiabatische Gasdynamik konsistent in resummierte KFT implementiert werden können und wie man ein System gravitativ gekoppelter dunkler und baryonischer Materie in diesem Formalismus allgemein behandelt. Im isothermen Fall untersuchen wir außerdem die lineare Entwicklung dieses gekoppelten Systems in einem kosmologischen Kontext. Unsere Ergebnisse zeigen eine Unterdrückung des baryonischen Leistungsspektrums auf Skalen unterhalb ungefähr 1 Mpc/h, die mit Simulationsergebnissen zwar qualitativ vergleichbar sind, die Stärke des Effekts jedoch um fast eine Größenordnung unterschätzen. Des Weiteren zeigen die Simulationen eine Erhöhung des Leistungsspektrums dunkler Materie, die sich in unseren Resultaten nicht beobachten lässt. Wir erwarten, dass sich diese Abweichungen verringern werden, sobald die adiabatische Gasdynamik sowie nichtlineare Korrekturen berücksichtigt werden.

Item Type: Dissertation
Supervisor: Bartelmann, Prof. Dr. Matthias
Date of thesis defense: 2 July 2018
Date Deposited: 11 Jul 2018 12:29
Date: 2018
Faculties / Institutes: The Faculty of Physics and Astronomy > Dekanat der Fakultät für Physik und Astronomie
Subjects: 500 Natural sciences and mathematics
530 Physics
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