Probing Early Dark Energy and primordial non-Gaussianity with cosmological simulations

Die Entwicklung des ersten prazisen kosmologischen Modells, des LCDM Modells, ist eine bedeutende Errungenschaft der modernen, beobachtenden Kosmologie. Trotzdem bleiben eine Reihe von wichtigen Fragen uber Zusammensetzung und Entwicklungsgeschichte des Universums unbeantwortet: Abgesehen von der Natur der Dunklen Materie ist der physikalische Ursprung der Dunklen Energie eine der ganz grosen Fragen der theoretischen Physik. Ebenso bedurfen die statistischen Eigenschaften der anfanglichen Dichtefluktuationen im fruhen Universum einer genauen uberprufung. Kleinste Abweichungen von den Gaus'schen Fluktuationen des Standardmodells wurden, sofern sie nachgewiesen werden, eine Vielzahl von Informationen uber die Physik des fruhen Universums enthalten. In dieser Arbeit benutze ich numerische Verfahren, um neue, hochprazise Vorhersagen zur kosmischen Strukturbildung in generalisierten Dunkle Energie Kosmologien zu treffen. Auserdem berucksichtige ich Modelle mit nicht-Gaus'schen Anfangbedingungen. Im ersten Abschnitt untersuche ich die nicht-lineare Strukturentstehung in sogenannten `Early Dark Energy' (EDE) Modellen und vergleiche sie mit dem LCDM Standardmodell. Interessanterweise zeigen meine Ergebnisse, dass der Sheth and Tormen (1999) Formalismus, mit dem ublicherweise die Anzahldichte von Halos aus Dunkler Materie geschatzt wird, in EDE Kosmologien weiterhin anwendbar ist, im Widerspruch zu analytischen Berechnungen. In diesem Zusammenhang untersuche ich auch das Verhaltnis zwischen Masse und Geschwindigkeitsdispersion der Dunklen Materie in Halos. Dabei stelle ich eine gute ubereinstimmung mit der Normalisierung der LCDM Kosmologien fest, wie sie in Evrard et al. (2008) beschrieben ist. Allerdings fuhrt das fruhere Anwachsen der Dichtestrukturen in EDE Modellen zu grosen Unterschieden in der Massenfunktion der Halos bei hohen Rotverschiebungen. Dies konnte direkt in Beobachtungen gemessen werden, indem man die Anzahl der Gruppen als Funktion der Geschwindigkeitsdispersion der enthaltenen Galaxien entlang der Sichtlinie bestimmt. Insbesondere wurde dadurch das Problem der mehrdeutigen Massebestimmung von Halos umgangen. Schlieslich ermittele ich die Beziehung zwischen dem Konzentrationsparameter von Halos und der Halomasse in den EDE Kosmologien. Im zweiten Teil meiner Arbeit verwende ich ein Set an hochaufgeloste hydrodynamische Simulationen um die globalen Eigenschaften der thermischen und kinetischen Sunyaev Zeldovich (SZ) Effekte zu untersuchen. Dabei stellen wir fest, dass in den SZ-Beobachtungskarten der EDE Modelle der Compton-y-Parameter systematisch groser ist als im LCDM Modell. Erwartungsgemas finde ich daher auch, dass das Leistungsspektrum der thermischen und kinetischen SZ Fluktuationen in EDE Kosmologien groser ist als im Standardmodell. Allerdings reicht diese Steigerung fur realistische EDE Modelle nicht aus, um die theoretischen Voraussagen in ubereinstimmung mit aktuellen Messungen der Mikrowellenhintergrundanisotropie bei grosen Multipolwerten zu bringen. Eine Zahlung der durch den SZ Effekt detektierbaren Halos in den simulierten Karten zeigt nur einen leichten Anstieg in den massereichsten Haufen fur EDE Kosmologien. Ebenso sind Voraussagen fur zukunftige Zahlungen von SZ-detektierten Haufen durch das South Pole Telescope (SPT Ruhl, 2004) stark durch Unsicherheiten in der Kosmologie beeintrachtigt. Schlieslich finde ich, dass die Normalisierung und die Steigung der Relation zwischen thermischem SZ-Effekt und Halomasse in vielen EDE Kosmologien unverandert bleibt, was die Interpretation von Beobachtungen des SZ Effekts in Galaxienhaufen vereinfacht. In weiteren Untersuchungen berechne ich eine Reihe von hochaufgelosten Vielteilchensimulationen fur physikalisch motivierte nicht-Gaus'sche Kosmologien. In umfangreichen Studien untersuche ich die Massenverteilungsfunktion der Halos und deren Entwicklung in nicht-Gaus'schen Modellen. Zudem vergleiche ich meine numerischen Experimente mit analytischen Vorhersagen von Matarrese et al. (2000) und LoVerde et al. (2008). Dabei finde ich eine sehr gute ubereinstimmung zwischen Simulation und analytischer Vorhersage, vorausgesetzt bestimmte Korrekturen fur die Dynamik des nicht-spharischen Kollapses werden berucksichtigt. Dazu werden die Vorhersagen dahingehend modifiziert, dass sie im Grenzfall sehr seltener Ereignisse einem geeignet veranderten Grenzwert der kritischen Dichte entsprechen. Desweiteren bestatige ich jungste Ergebnisse, nach denen primordiale nicht-Gaus'sche Dichtefluktuationen eine starke skalenabhanginge Verzerrung auf grosen Skalen verursachen, und ich lege einen physikalisch motivierten mathematischen Ausdruck vor, der es erlaubt, die Verzerrung zu messen und der eine gute Naherung fur die Simulationsergebnisse darstellt.