German Title: Kosmische Strukturen verstehen: Eine neue Vorhersage für das Leistungsspektrum des Gravitationslinseneffektes

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Abstract

The nonlinear evolution of large scale structure has long been poorly understood as it has not been possible to thoroughly describe the physics of the underlying processes by means of theoretical physics until recent years. This lack of understanding not only has hampered progress in the understanding of cosmic history but also of the constituents of the universe as most of them are of a still unknown nature and cannot be observed directly. We calculate a new theoretical and model-independent prediction for the weak lensing power spectrum using both model-independent cosmology, a newly invented method to circumvent the need of a cosmological model, as well as Kinetic Field Theory, a recent technique to analytically describe the nonlinear stages of structure formation. Thus, by adding a nearly parameter-free prediction of the central statistical quantity of gravitational lensing – a well established method to analyse the distribution of cosmic matter density – to the framework of Kinetic Field Theory we provide another possibility in order to verify, calibrate and improve the successful analytic approach to nonlinear cosmic structure formation.

Translation of abstract (German)

Die Entwicklung großer kosmischer Strukturen ließ sich lange Zeit unter anderem deshalb nicht vollständig durchdringen, weil die Analyse dieser nichtlinearen Prozesse mit Mitteln der theoretischen Physik erst in den letzten Jahren durch die Entwicklung mathematisch konsistenter Theorien möglich wurde. Dieses fehlende Verständnis von kosmischer Strukturbildung hemmte nicht nur die Erforschung der Geschichte des Universums, sondern auch die der verschiedenen, größtenteils unbekannten, Formen von Materie und Energie, die zwar das Universum in seiner heutigen Zusammensetzung dominieren, sich jedoch nicht direkt beobachten lassen. In dieser Arbeit berechnen wir eine neue, theoretische und modellunabhängige Vorhersage für das Leistungsspektrum des Gravitationslinseneffekts, mit dem sich auch die unbekannte Materieform indirekt beobachten lässt. Hierzu nutzen wir sowohl modellunabhängige Kosmologie, eine jüngst eingeführte Methode, mit der sich ein großer Teil physikalischer Annahmen über das Universum ersetzen lässt, als auch die Kinetische Feldtheorie, mit welcher man die nichtlineare Entwicklung kosmischer Strukturen analytisch beschreiben kann. Indem wir die zentrale, statistische Größe des Gravitationslinseneffekts mit Hilfe dieser Theorien neu und nahezu parame- terfrei berechnen, fügen wir dem breiten Spektrum möglicher Anwendungen der Kinetischen Feldtheorie eine weitere hinzu. Damit soll es in Zukunft möglich sein, die erfolgreiche Theorie mithilfe von Daten aus neuen Durchmusterungen zu verifizieren, zu kalibrieren und zu verbessern, um schließlich auch die Strukturbildung im nichtlinearen Bereich vollständig erfassen und begreifen zu können.

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Vastae structurae universi quomodo non lineariter evolutae sint, diu percognita non erat, cum processus huius rei physice, si theoretica physice uteris, describi non poterant usque ad exitum decenni exacti. Qua ignorantia impedimur, quominus complectamur cum historiam universi, tum omnia, ex quibus universum constitutum est, quia plurimarum partium naturam nondum perspicimus neque esa ipsas observare possumus. Fecimus novam theoreticam neque ab exemplis pendentem praedictionem spectri potentiae lentium lenium utentes et nu - per inventa via, qua exempla aliter necessaria evitari possunt, cosmologiae non ab exemplis pendentis et theoria camporum cineticorum, qua via nova mathematice describuntur gradus formationis structurarum. Cum addamus compagi theoriae camporum cineticorum praedictionem quantitatis statisticae summae lentium gravitationis minimis exemplaribus utentes – via consuetissima, qua, quomo- do massa in universe distributa sit, investigatur –, providemus aliam facultatem probandi, adaequandi, meliorem faciendi aditum analyticum, quo ad formationem non linearem structurae universi adire possumus.