Title (eng)
Fuzzy dark matter halos
angular momentum, vortices and quantum turbulence
Parallel title (deu)
"Fuzzy" dunkle Materie Halos: Drehimpuls, Wirbel und Quantenturbulenz
Author
Sonja Ornella Schobesberger
Advisor
Tanja Rindler-Daller
Assessor
Tanja Rindler-Daller
Abstract (deu)
Theoretische Modelle über das grundlegende Wesen der dunklen Materie unterscheiden sich unter anderem in ihren Merkmalen auf galaktischen Längenskalen. Sogenannte Bose- Einstein-kondensierte dunkle Materie, BEC-DM, (auch bekannt als ψDM oder Skalar Feld- dunkle Materie), ein durch Erweiterungen des Standardmodells der Teilchenphysik gut begründeter Ansatz, geht davon aus, dass die Teilchen, aus welchen dunkle Materie besteht, Bosonen sind. Diese unterliegen der Bose-Einstein Statistik und sind bekanntlich in der Lage einen makroskopischen Quantenzustand, auch bekannt als Bose-Einstein-Kondensat, zu bilden. Die folglich inhärenten Welleneigenschaften dieser Beschreibung führen zu faszinierender aber doch hochgradig komplexer Dynamik. Betrachtet man insbesondere BEC- DM Halos in Kombination mit Eigendrehimpuls, so besteht die Möglichkeit, dass sich sogenannte "vortices" oder Wirbel ausbilden. Diese Mini-Tornados, durch verschwindende Dichte und ins Unendliche wachsende Geschwindigkeit charakterisiert, sind von Bose- Einstein Kondensat Experimenten aus dem Labor bekannt. Es stellt sich heraus, dass sich Quantenturbulenz aus diesen Wirbelsträngen zusammensetzt. Zur Beschreibung eines virialisierten BEC-DM Halos dient das sogenannte Gross-Pitaevskii-Poisson Gleichungssystem. Dieses bietet eine quantenhydrodynamische Formulierung, welche die Unterscheidung zweier Grenzfälle zulässt; der Thomas-Fermi und "fuzzy" Limes. Letzterer entspricht dem Grenzfall verschwindender Selbstwechselwirkung der dunkle Materie Teilchen. Der Grundzustand des Gross-Pitaevskii-Poisson Gleichungssystems im fuzzy Limes stellt in seinem Erscheinungsbild ein grundlegendes Merkmal dieses Modells dar und findet sich in den stabilen, glatten Zentralregionen von fuzzy BEC-DM Halos. Im Rahmen dieser Arbeit wird eine Energieanalyse angewandt, um die Wahrscheinlichkeit des Auftretens eines derartigen einfach-gewickelten Wirbels im Zentrum eines BEC-DM Halos zu untersuchen. In Anbetracht dessen, wurden zwei approximative Modelle des stabilen BEC-DM Halozentrums erstellt; eine Gauß'sche Kugel und ein wirbelfreier Riemann-S Ellipsoid mit einem Dichteprofil, welches einer (n = 2)-Polytrope entspricht. Unsere Analyse kommt zu dem Schluss, dass das Auftreten eines "vortex" in keinem der beiden Fälle, weder für die Gauß'sche Kugel noch für den polytropischen Riemann-S Ellipsoid, energetisch begünstigt ist. Es stellt sich weiters heraus, dass mit steigender Bosonenmasse "vortex"-Bildung in steigendem Maße unbegünstigt ist. Der Vergleich mit vielversprechenden Merger-Simulationen zeigt, dass insbesondere unser polytropisches Riemann-S ellipsoides Modell ein gut geeignetes analytisches Werkzeug zur Untersuchung der "vortex"-freien Zentralregionen eines BEC-DM Halos darstellt.
Abstract (eng)
Competing theories on the nature of dark matter show different characteristic signature effects on scales of galactic halos (≈ kpc). Bose-Einstein condensed dark matter, BEC-DM, (also ψDM or scalar field dark matter), a model motivated by several extensions to the standard model of particle physics like ultra-light axions, assumes that dark matter particles are bosons able to undergo Bose-Einstein condensation. Complicated dynamics arise due to the wave properties of this dark matter model. In particular, a Bose-Einstein-condensed dark matter halo subject to angular momentum may exhibit those quantum vortices we know from rotating laboratory condensates. These vortex-lines are basically "mini-tornadoes" where the density goes to zero and the velocity diverges. They are the building blocks of quantum turbulence. A virialized self-gravitating Bose-Einstein condensed dark matter halo satisfies the Gross-Pitaevskii-Poisson system of equations. Its fluid-like nature allows to distinguish between the so-called Thomas-Fermi and fuzzy regime, where the latter corresponds to a limit of vanishing dark matter self-interaction. The ground state attractor solution of the Gross-Pitaevskii-Poisson system in the fuzzy regime is a fundamental feature of this dark matter model which constitutes the central stable "soliton" core of ψDM halos in the fuzzy regime. We apply an energy argument in order to determine whether the formation of one singly-charged vortex in the center of such a stable configuration due to rotation is energetically favored or not. In light of this, we developed two approximate analytical models for these central stable regions of BEC-DM halos; a Gaussian sphere and a compressible, (n = 2)-polytropic irrotational Riemann-S ellipsoid. We have shown that vortex formation in the fuzzy regime is not energetically favored, neither in the case of the Gaussian sphere model, nor in the case of the (n = 2)-polytropic irrotational Riemann-S ellipsoid. Moreover, according to our analysis higher dark matter particle masses imply that vortex formation is even less favored. Comparing our results with promising BEC-DM halo formation numerical simulations suggests that especially our (n = 2)-polytropic irrotational Riemann-S ellipsoid model provides a suitable tool to analyze the central, vortex-free regions of BEC-DM halos.
Keywords (eng)
Dark MatterBEC-DM halosCosmology
Keywords (deu)
Dunkle MaterieBEC-DM HalosKosmologie
Subject (deu)
Subject (deu)
Subject (deu)
Type (deu)
Persistent identifier
https://phaidra.univie.ac.at/o:1391863
rdau:P60550 (deu)
x, 117 Seiten : Illustrationen, Diagramme
Number of pages
127
Association (deu)
Title (eng)
Fuzzy dark matter halos
angular momentum, vortices and quantum turbulence
Parallel title (deu)
"Fuzzy" dunkle Materie Halos: Drehimpuls, Wirbel und Quantenturbulenz
Author
Sonja Ornella Schobesberger
Abstract (deu)
Theoretische Modelle über das grundlegende Wesen der dunklen Materie unterscheiden sich unter anderem in ihren Merkmalen auf galaktischen Längenskalen. Sogenannte Bose- Einstein-kondensierte dunkle Materie, BEC-DM, (auch bekannt als ψDM oder Skalar Feld- dunkle Materie), ein durch Erweiterungen des Standardmodells der Teilchenphysik gut begründeter Ansatz, geht davon aus, dass die Teilchen, aus welchen dunkle Materie besteht, Bosonen sind. Diese unterliegen der Bose-Einstein Statistik und sind bekanntlich in der Lage einen makroskopischen Quantenzustand, auch bekannt als Bose-Einstein-Kondensat, zu bilden. Die folglich inhärenten Welleneigenschaften dieser Beschreibung führen zu faszinierender aber doch hochgradig komplexer Dynamik. Betrachtet man insbesondere BEC- DM Halos in Kombination mit Eigendrehimpuls, so besteht die Möglichkeit, dass sich sogenannte "vortices" oder Wirbel ausbilden. Diese Mini-Tornados, durch verschwindende Dichte und ins Unendliche wachsende Geschwindigkeit charakterisiert, sind von Bose- Einstein Kondensat Experimenten aus dem Labor bekannt. Es stellt sich heraus, dass sich Quantenturbulenz aus diesen Wirbelsträngen zusammensetzt. Zur Beschreibung eines virialisierten BEC-DM Halos dient das sogenannte Gross-Pitaevskii-Poisson Gleichungssystem. Dieses bietet eine quantenhydrodynamische Formulierung, welche die Unterscheidung zweier Grenzfälle zulässt; der Thomas-Fermi und "fuzzy" Limes. Letzterer entspricht dem Grenzfall verschwindender Selbstwechselwirkung der dunkle Materie Teilchen. Der Grundzustand des Gross-Pitaevskii-Poisson Gleichungssystems im fuzzy Limes stellt in seinem Erscheinungsbild ein grundlegendes Merkmal dieses Modells dar und findet sich in den stabilen, glatten Zentralregionen von fuzzy BEC-DM Halos. Im Rahmen dieser Arbeit wird eine Energieanalyse angewandt, um die Wahrscheinlichkeit des Auftretens eines derartigen einfach-gewickelten Wirbels im Zentrum eines BEC-DM Halos zu untersuchen. In Anbetracht dessen, wurden zwei approximative Modelle des stabilen BEC-DM Halozentrums erstellt; eine Gauß'sche Kugel und ein wirbelfreier Riemann-S Ellipsoid mit einem Dichteprofil, welches einer (n = 2)-Polytrope entspricht. Unsere Analyse kommt zu dem Schluss, dass das Auftreten eines "vortex" in keinem der beiden Fälle, weder für die Gauß'sche Kugel noch für den polytropischen Riemann-S Ellipsoid, energetisch begünstigt ist. Es stellt sich weiters heraus, dass mit steigender Bosonenmasse "vortex"-Bildung in steigendem Maße unbegünstigt ist. Der Vergleich mit vielversprechenden Merger-Simulationen zeigt, dass insbesondere unser polytropisches Riemann-S ellipsoides Modell ein gut geeignetes analytisches Werkzeug zur Untersuchung der "vortex"-freien Zentralregionen eines BEC-DM Halos darstellt.
Abstract (eng)
Competing theories on the nature of dark matter show different characteristic signature effects on scales of galactic halos (≈ kpc). Bose-Einstein condensed dark matter, BEC-DM, (also ψDM or scalar field dark matter), a model motivated by several extensions to the standard model of particle physics like ultra-light axions, assumes that dark matter particles are bosons able to undergo Bose-Einstein condensation. Complicated dynamics arise due to the wave properties of this dark matter model. In particular, a Bose-Einstein-condensed dark matter halo subject to angular momentum may exhibit those quantum vortices we know from rotating laboratory condensates. These vortex-lines are basically "mini-tornadoes" where the density goes to zero and the velocity diverges. They are the building blocks of quantum turbulence. A virialized self-gravitating Bose-Einstein condensed dark matter halo satisfies the Gross-Pitaevskii-Poisson system of equations. Its fluid-like nature allows to distinguish between the so-called Thomas-Fermi and fuzzy regime, where the latter corresponds to a limit of vanishing dark matter self-interaction. The ground state attractor solution of the Gross-Pitaevskii-Poisson system in the fuzzy regime is a fundamental feature of this dark matter model which constitutes the central stable "soliton" core of ψDM halos in the fuzzy regime. We apply an energy argument in order to determine whether the formation of one singly-charged vortex in the center of such a stable configuration due to rotation is energetically favored or not. In light of this, we developed two approximate analytical models for these central stable regions of BEC-DM halos; a Gaussian sphere and a compressible, (n = 2)-polytropic irrotational Riemann-S ellipsoid. We have shown that vortex formation in the fuzzy regime is not energetically favored, neither in the case of the Gaussian sphere model, nor in the case of the (n = 2)-polytropic irrotational Riemann-S ellipsoid. Moreover, according to our analysis higher dark matter particle masses imply that vortex formation is even less favored. Comparing our results with promising BEC-DM halo formation numerical simulations suggests that especially our (n = 2)-polytropic irrotational Riemann-S ellipsoid model provides a suitable tool to analyze the central, vortex-free regions of BEC-DM halos.
Keywords (eng)
Dark MatterBEC-DM halosCosmology
Keywords (deu)
Dunkle MaterieBEC-DM HalosKosmologie
Subject (deu)
Subject (deu)
Subject (deu)
Type (deu)
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https://phaidra.univie.ac.at/o:1391864
Number of pages
127
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