Neue Implikationen der Lyman-Alpha-Forests für die Kosmologie

• Antragsteller: Professor Dr. Julien Lesgourgues
• Fachliche Zuordnung: Astrophysik und Astronomie ; Kern- und Elementarteilchenphysik, Quantenmechanik, Relativitätstheorie, Felder
• Förderung: Förderung von 2017 bis 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 391265003

In der Kosmologie hat Dank der Beobachtung des kosmischen Mikrowellenhintergrunds (CMB) und der Struktur auf großen Skalen die Ära der Präzisionsphysik begonnen. Während das Standardmodell der Kosmologie (Lambda-CDM) auf den größten Skalen als gute Beschreibung der kosmologischen Daten bestätigt wurde, können manche Fragen noch nicht zufriedenstellend beantwortet werden, z.B. die Natur der Dunklen Materie, der Mechanismus der beschleunigten Expansion des Universums, die genaue Rolle der Neutrinos in der Kosmologie, die Energieskala der Inflation und ihre Verbindung mit einer fundamentalen Theorie. Das beantragte Projekt wird diese Fragen sowohl aus experimenteller als auch theoretischer Sicht untersuchen, und zwar mit Hilfe der Information in den Lyman-Alpha-Forests. Einerseits werden wir den größten Datensatz von Quasarspektren mittlerer Auflösung (BOSS und eBOSS) und den neuesten Datensatz von Quasarspektren höchster Auflösung (VLT) analysieren, um die spektrale Leistungsdichte des Lyman-Alpha-Flusses bei Rotverschiebungen zwischen 2.0 und 4.6 und auf Skalen zwischen sub-Mpc und hunderten von Mpc mit Prozentgenauigkeit zu messen. Andererseits werden wir modernste Hydrodynamiksimulationen durchführen, die alle Komponenten der zu testenden kosmologischen Modelle enthalten und mit Hilfe der Lyman-Alpha-Daten die Parameter bestimmen, die die Daten am besten beschreiben. Die Daten bei hoher Rotverschiebung erlauben es, die nicht-lineare Entwicklung der Strukturentstehung zu analysieren, insbesondere den scharfen Cut- off in der Leistungsdichte durch die warme dunkle Materie. Durch die verschiedenen Skalen in der Analyse können wir auch sanftere Cut- offs untersuchen, wie sie durch gemischte Dunkle Materie oder resonant produzierte sterile Neutrinos entstehen. Auch eine Reihe von Modellen mit nicht-standard Dunkler Materie (wechselwirkende DM oder Axionen) werden wir so einschränken. Die Messung des Leistungsspektrums auf sub-Mpc Skalen wird es uns erlauben, die intrinsische Entartung zwischen den Temperatureigenschaften des intergalaktischen Mediums und den kosmologischen Parametern (bspw. skalarer Spektralindex oder Neutrinomasse) aufzuzeigen. Daher werden wir die einzigartigen Lyman-Alpha-Daten, ergänzt durch die neuesten Planck-Messung der CMB-Anisotropien, auch nutzen, um die besten Grenzen an die Neutrinomassen zu erhalten, so dass das minimale Szenario der invertierten Hierarchie (Vorhersage von Mnu = 0.11eV) bestätigt oder ausgeschlossen werden kann. Abschließend ergibt sich aus den Lyman-Alpha-Forests eine hervorragende Gelegenheit, die Form der Materie- Leistungsdichte auf Sub-CMB-Skalen zu überprüfen. Neue Resultate geben Hinweise auf eine leichte Spannung zwischen den Lyman- Alpha und CMB Messungen, die, falls bestätigt, interessante Konsequenzen für Inflationstheorien hätte oder den Weg zu neuer Physik wie modifizierter Gravitation oder einer Wechselwirkung von Dunkler Materie mit anderen Komponenten weisen könnte.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: Frankreich
• Kooperationspartnerin: Nathalie Palanque-Delabrouille, Ph.D.