The ΛCDM model is the most widely accepted model of cosmological structure formation
and evolution. It includes a form of Cold Dark Matter (CDM), which is non-quantum, nonrelativistic and collisionless. It settles into extended and dense self-gravitating haloes as a
result of cosmic structure formation. CDM haloes act as a stabilizing agent for galaxies, while
the late-time accelerating expansion of the Universe is sourced by a cosmological constant
Λ. Due to the disagreement between ΛCDM-based simulations and observations on galactic
and sub-galactic scales and the fact that traditional dark matter candidates remain undetected,
the theoretical space for alternatives has been widening, making the particle nature of dark
matter a fundamental question in Physics. This thesis revolves around this question in the
context of two proposed modifications to the CDM cosmology: Self-interacting dark matter
(SIDM) and Warm Dark Matter (WDM). In the former, strong self-interactions modify the
inner dynamics of dark matter haloes, while in the latter, non-negligible thermal velocities
in the early Universe suppress the abundance and inner densities of low-mass haloes. These
modifications have been proposed to solve outstanding inconsistencies between CDM and
observations of dwarf galaxies.
In the WDM project, we use a high-resolution hydrodynamical simulation that includes
the EAGLE galaxy formation model to understand how the properties and statistics of the
dwarf galaxy population are related to the ∼Mpc-scale environment in our Local Group.
We are interested in a cosmologically underdense region that has been relatively unexplored
to uncover divergent predictions of CDM and WDM. We find that the cumulative stellar
mass function is almost identical for high stellar mass systems (M∗ > 107 M⊙ ), while it is
suppressed below this mass, where WDM predicts fewer dwarf galaxies than CDM.
In the SIDM project, we use a semi-analytic framework calibrated to simulations to study
the final stage of the SIDM halo evolution - the "gravothermal collapse" phase. We show
that in certain region of the parameter space of SIDM models, dwarf-size SIDM haloes have
a bimodal distribution, with some having central density cores and others being centrally
cuspy, the latter being those that have collapsed and contain an intermediate-mass black
hole. This offers a promising solution to the so-called "diversity problem" in Milky-Way
satellites. Finally, we extend the analysis of the core-collapse phase in SIDM haloes, including
the impact on the baryonic component. In particular, we discuss how the use of adiabatic
invariants can be exploited to predict the response of stellar orbits to the collapsing SIDM
core
Í heimsfræði er svonefnt ΛCDM-líkan hin viðtekna lýsing á myndun og þróun stærri
efniseininga í alheimi. Það samanstendur að megninu til af köldu hulduefni (CDM), sem er
óskammtað, hægfara og árekstralaust. Við myndun stærri kerfa, safnast hulduefnið undan
eigin þyngdarverkun, í víðfema en þétta hjúpa. Hulduefnishjúparnir hafa styrkjandi áhrif á
stöðugleika vetrarbrauta, en aukinn útþennsluhraði alheims á síðari stigum stafar af heimsfasta,
Λ. Hermanir ΛCDM-líkana hafa oft ekki samræmst niðurstöðum mælinga á vetrarbrautum og
grunneiningum þeirra, sér í lagi hafa hefðbundnar hulduagnir ekki fundist. Þar með hefur svigrúm aukist til að kanna aðra möguleika og á þann hátt hefur spurningin um gerð og eiginleika
huldusefnis orðið ein af meginráðgátum eðlisfræðinnar. Þessi ritgerð tekur þessa spurningu til
umfjöllunar og skoðar samhengið á milli tveggja tilgáta um breytta heimsmynd hulduefnis:
Annars vegar eiginvíxlverkandi hulduefni (e. Self-Interacting Dark Matter - SIDM) og svo
heitt hulduefni (Warm Dark Matter - WDM). Í fyrra tilvikinu breytir sterk eiginvíxlverkun
hreyfifræði hulduefnishjúpanna, en hið síðara veldur því að varmafræðilegur hraði í ungum
alheimi dregur úr fjölda og innri þéttleika hjúpa með lítinn massa. Þessi tilvik hafa verið
innleidd til að leysa ósamkvæmni á milli hulduefnis og mælinga á dvergvetrarbrautum. Í
WDM-hlutanum byggjum við á hermireikningum í hárri upplausn, sem innihalda EAGLE
líkanið af myndun vetrarbrauta til að varpa ljósi á hvernig tölfræðilegir eiginleikar safns
dvergvetrarbrauta tengjast nánasta (∼Mpc) umhverfi í Grenndarhópnum. Við beinum sjónum
að heimsfræðilegum svæðum með undirþéttleika sem lítt hafa verið könnuð með tilliti til
forspáa CDM og WDM. Í ljós kemur að dreifingarfall massa stjarna í vetrarbrautum er í
þessum tveimur tilfellum eins ef massinn er hár (M∗ > 107 M⊙ ), en fyrir lægri massa spáir
WDM færri dvergvetrarbrautum en CDM.
Í SIDM-hlutanum nýtum við aflfræðilega framsetningu sem er kvörðuð við hermireikninga til að kanna lokaskeið í þróun SIDM hjúpa, skeið þyngdarvermins hruns. Við sýnum að
á vissu svæði í stikarúmi SIDM-líkananna, hafa dvergvetrarbrautir tvítindadreifingu þar sem
sumar hafa þéttann kjarna á meðan aðrar eru yddar. Þeir hjúpar sem hafa þegar fallið saman
innihalda miðlungsstór svarthol. Þessar niðurstöður varða leið að lausn svonefnds margbreytileika í fylgiþokum vetrarbrautarinnar. Loks útvíkkum við greiningu á skeiði kjarna-hruns í
SIDM-líkönum, með því að taka einnig tillit til áhrifa þungeinda í hjúpnum. Sér í lagi hugum
við að því hvernig nýta má óvermióbreytur til að spá fyrir um svörun og breytingu á brautum
stjarna þegar SIDM-kjarninn fellur saman.
