The impact of Self-Interacting Dark Matter and Warm Dark Matter in dwarf galaxies

Abstract

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.