German Title: Kosmologische Strukturbildung bei wachsender Neutrinomasse

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Abstract

The mystery of dark energy may be related to the physics of neutrino mass. It has been proposed that a growing neutrino mass triggers the onset of the accelerated expansion of the Universe by stopping the evolution of a dynamical dark energy scalar field. In these scenarios, the scalar field mediates a strong attractive force between neutrinos, which considerably complicates the treatment of perturbations; standard methods such as linear perturbation theory and Newtonian N–body simulations are not appropriate. In this work, we present a simulation method that allows to incorporate nonlinear neutrino clustering, relativistic velocities, spatial neutrino mass variations, and backreaction effects in growing neutrino cosmologies. For an exemplary parameter set, we study the cosmological evolution until redshift z = 1 and identify characteristic signatures of the model. In particular, the formation and properties of nonlinear neutrino structures are investigated. In a more general context, we ask for promising methods to constrain models with enhanced structure formation on large scales and attend to 3D weak lensing. Without adopting a specific model, we present adequate numerical tools for the computation of 3D weak lensing spectra. As an application, we consider a simple parameterization of clustering dark energy and forecast constraints on the properties of dark energy by future data.

Translation of abstract (German)

Das Rätsel der Dunklen Energie könnte in Verbindung stehen mit der Physik der Neutrinomassen. Es wurde vorgeschlagen, dass eine wachsende Neutrinomasse die beschleunigte Expansion des Universums einleitet, indem sie die Entwicklung eines dynamischen Skalarfeldes stoppt. In diesen Szenarien vermittelt das Skalarfeld eine starke anziehende Kraft zwischen Neutrinos, die die Behandlung von Störungsgrößen erheblich erschwert; Standardmethoden wie lineare Störunsrechnung oder Newtonsche N-Teilchen Simulationen sind nicht angemessen. In dieser Arbeit stellen wir eine Simulationsmethode vor, die es erlaubt, die Bildung nichtlinearer Neutrinostrukturen unter Berücksichtigung von relativistischen Teilchengeschwindigkeiten, lokalen Massenvariationen und Rückkopplungseffekten auf den kosmologischen Hintergrund zu behandeln. Wir untersuchen die kosmologische Entwicklung des Modells für exemplarische Parameterwerte bis zur Rotverschiebung z = 1 und identifizieren dabei charakteristische Merkmale. Insbesondere beschäftigen wir uns mit der Entstehung und den Eigenschaften kompakter Neutrinostrukturen. In einem allgemeineren Zusammenhang befassen wir uns auch mit “3D Weak Lensing”, einer vielversprechenden Methode zur Beobachtung großskaliger Strukturbildung. Ohne ein bestimmtes Modell anzunehmen, entwickeln wir numerische Methoden, die die notwendigen Berechnungen erleichtern. Als Anwendung untersuchen wir eine einfache Parametrisierung inhomogener Dunkler Energie und schätzen die zu erwartenden Einschränkungen durch zukünftige Daten.