Strukturentstehung mit dunkler Materie aus ultraleichten Axionen

• Antragsteller: Professor Dr. Jens Niemeyer
• Fachliche Zuordnung: Astrophysik und Astronomie ; Kern- und Elementarteilchenphysik, Quantenmechanik, Relativitätstheorie, Felder
• Förderung: Förderung von 2018 bis 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 392423878

Ultraleichte Axionen (ULAs) sind Kandidaten für dunkle Materie, die sehr gut teilchenphysikalisch motiviert sind und neue, bislang unerforschte astrophysikalische Phänomene hervorrufen. In Bezug auf die kosmologische Strukturentstehung sind ihre Eigenschaften auf großen Skalen ununterscheidbar vom kanonischen Paradigma der kalten dunklen Materie. Auf kleinen Skalen hingegen wird das gravitative Anwachsen von Störungen unterhalb der sogenannten "Quanten-Jeanslänge", gegeben durch die de Broglie-Wellenlänge von Teilchen mit Virialgeschwindigkeiten, unterdrückt. Die wellenartige Natur von ULAs auf kleinen Skalen und die Existenz von Grundzuständen mit solitonischen Eigenschaften haben die Erforschung neuer Phänomene stimuliert, wie beispielsweise die Unterdrückung der Halo- und Subhalo-Massenfunktion bei kleinen Massen, solitonische Halokerne in Übereinstimmung mit den beobachteten Rotationskurven von Zwerggalaxien sowie signifikant geringere Relaxationszeiten für dunkle Materie und stellare Komponenten. Von entscheidender Bedeutung ist, dass derzeit keine quantitativen Vorhersagen durch kosmologische Simulationen möglich sind, die das Niveau von N-body Simulationen erreichen. Es gibt eine große Nachfrage für neue numerische Methoden, die diesen Bedarf abdecken. Wir schlagen vor, eine neuartige hybride Technik für Simulationen der kosmologischen Strukturentstehung zu verwenden, die zur Zeit von uns entwickelt und getestet wird. Aufbauend auf der adaptiven Gitterverfeinerung des existierenden Enzo-Codes kombiniert sie eine teilchenbasierte semiklassische Methode zur Lösung der Schrödinger-Poisson-Gleichung auf den gröberen Gittern mit einer gitterbasierten Lösung auf dem feinsten Gitterniveau. Wir beabsichtigen, zum ersten Mal die Entstehung und Evolution von Galaxien mit ULA dunkler Materie zu untersuchen, wobei wir Zoom-In-Simulationen mit unserer hybriden Methode mit Enzos Modulen für baryonische Physik und stellare Komponenten kombinieren werden. Des weiteren planen wir, die Evolution der Halo-Substruktur zu erforschen, einschließlich der Subhalo-Massenfunktion sowie Relaxationseffekten und dynamischer Reibung in ULA-Halos.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen