Title (eng)
Incorporating beyond ΛCDM models into fast predictions of the cosmic large scale structure
Parallel title (deu)
Inklusion von Modellen jenseits von ΛCDM in schnelle Vorhersagen der kosmischen großräumigen Strukturen
Author
Advisor
Oliver Hahn
Assessor
Oliver Hahn
Abstract (deu)
Das Feld der Kosmologie hat in den letzten Jahrzehnten einen bedeutenden Zustrom an neuen Daten aus Beobachtungen erfahren. Um diese Daten angemessen nutzen zu können und die Lücke zu theoretischen Vorhersagen zu überbrücken, verwendet man üblicherweise N-KörperSimulationen der großräumigen Strukturen des Kosmos. Diese sind jedoch sowohl durch die Hardware der Rechencluster als auch durch die Effizienz der N-Körper-Simulationscodes begrenzt. Um Letzteres zu adressieren, kann man die Zeitschrittberechnung in diesen N-KörperSimulationen ändern, um bei gleicher Genauigkeit (oder sogar verbesserter), durch den Einsatz der Lagrangeschen Störungstheorie, die Anzahl der notwendigen Zeitschritte zu reduzieren. Diese Masterarbeit präsentiert in erster Linie die Theorie hinter der erweiterten Version des auf der Lagrangeschen Störungstheorie basierenden BullFrog-Integrators, wie er in das Simulationsekosystem Disco-DJ (Differentiable Simulations in COsmology, Done by Jax) der Kosmologiegruppe der Universität Wien implementiert wurde, sowie die Tests dieser Implementierung. Dieses Upgrade umfasst ein dynamisches Dunkle-Energie-Modell, gegeben durch die Chevallier-Polarski-Linder-Parametrisierung unter Hinzufügung einer nicht verschwindenden Krümmung. Zweitens werden neue theoretische Einsichten diskutiert, die für die Implementierung weiterer Modelle in das BullFrog-Integrationsschema relevant sein werden. Wir stellen fest, dass das nichtlineare spektrale Materieleistungsspektrum unserer BullFrogImplementierung, unter Annahme eines dynamischen Dunkle-Energie-Modells, mit dem nichtlinearen Leistungsspektrum von „baccoemu“ innerhalb von 1% auf linearen Skalen übereinstimmt und eine deutliche Verbesserung der Genauigkeit gegenüber dem FastPM-Integrationsschema zeigt, wobei ungefähr halb so viele BullFrog-Schritte erforderlich sind, um die gleiche Genauigkeit zu erreichen. Dadurch wird auch die Simulationsdauer erheblich reduziert.
Abstract (eng)
The field of cosmology has experienced a significant influx of new observational data in the last decades. In order to adequately utilise this data and bridge the gap to theoretical predictions, one usually employs N-body simulations of the large scale structure. These, however, are limited by the hardware of computational clusters, and the efficiency of N-body simulation codes. To address the latter of these issues one can change the time-stepping in these N-body simulations, to maintain (or even improve) the accuracy of these, reducing the amount of time steps necessary through the use of Lagrangian perturbation theory. This master thesis then primarily, presents the theory behind the upgraded version of the Lagrangian perturbation theory informed BullFrog integrator scheme as implemented into the university of Vienna’s cosmology group’s simulation ecosystem Disco-DJ (Differentiable Simulations in COsmology, Done by Jax), and the tests of this implementation. This upgrade includes a dynamical dark energy model, as given through the Chevallier-Polarski-Linder parametrisation with the addition of non-zero curvature. Secondly, it discusses new theoretical insights, which will be relevant for the implementations of further models into the BullFrog integration scheme. We find that our BullFrog implementation’s non-linear power spectrum, assuming a dynamical dark energy model, is consistent with the non-linear-power spectrum of "baccoemu" within 1% on linear scales and shows a significant improvement in accuracy to the FastPM integration scheme, where roughly half as many BullFrog steps are required to reach the same accuracy, therefore also reducing the simulation duration significantly.
Keywords (deu)
KosmologieLagrangesche StörungstheorieDunkle EnergieSimulationen
Keywords (eng)
CosmologyLagrangian perturbation theoryDark energySimulations
Subject (deu)
Subject (deu)
Subject (deu)
Type (deu)
Persistent identifier
Extent (deu)
xi, 77 Seiten : Illustrationen
Number of pages
92
Study plan
Masterstudium Physics
[UA]
[066]
[876]
Association (deu)
Title (eng)
Incorporating beyond ΛCDM models into fast predictions of the cosmic large scale structure
Parallel title (deu)
Inklusion von Modellen jenseits von ΛCDM in schnelle Vorhersagen der kosmischen großräumigen Strukturen
Author
Abstract (deu)
Das Feld der Kosmologie hat in den letzten Jahrzehnten einen bedeutenden Zustrom an neuen Daten aus Beobachtungen erfahren. Um diese Daten angemessen nutzen zu können und die Lücke zu theoretischen Vorhersagen zu überbrücken, verwendet man üblicherweise N-KörperSimulationen der großräumigen Strukturen des Kosmos. Diese sind jedoch sowohl durch die Hardware der Rechencluster als auch durch die Effizienz der N-Körper-Simulationscodes begrenzt. Um Letzteres zu adressieren, kann man die Zeitschrittberechnung in diesen N-KörperSimulationen ändern, um bei gleicher Genauigkeit (oder sogar verbesserter), durch den Einsatz der Lagrangeschen Störungstheorie, die Anzahl der notwendigen Zeitschritte zu reduzieren. Diese Masterarbeit präsentiert in erster Linie die Theorie hinter der erweiterten Version des auf der Lagrangeschen Störungstheorie basierenden BullFrog-Integrators, wie er in das Simulationsekosystem Disco-DJ (Differentiable Simulations in COsmology, Done by Jax) der Kosmologiegruppe der Universität Wien implementiert wurde, sowie die Tests dieser Implementierung. Dieses Upgrade umfasst ein dynamisches Dunkle-Energie-Modell, gegeben durch die Chevallier-Polarski-Linder-Parametrisierung unter Hinzufügung einer nicht verschwindenden Krümmung. Zweitens werden neue theoretische Einsichten diskutiert, die für die Implementierung weiterer Modelle in das BullFrog-Integrationsschema relevant sein werden. Wir stellen fest, dass das nichtlineare spektrale Materieleistungsspektrum unserer BullFrogImplementierung, unter Annahme eines dynamischen Dunkle-Energie-Modells, mit dem nichtlinearen Leistungsspektrum von „baccoemu“ innerhalb von 1% auf linearen Skalen übereinstimmt und eine deutliche Verbesserung der Genauigkeit gegenüber dem FastPM-Integrationsschema zeigt, wobei ungefähr halb so viele BullFrog-Schritte erforderlich sind, um die gleiche Genauigkeit zu erreichen. Dadurch wird auch die Simulationsdauer erheblich reduziert.
Abstract (eng)
The field of cosmology has experienced a significant influx of new observational data in the last decades. In order to adequately utilise this data and bridge the gap to theoretical predictions, one usually employs N-body simulations of the large scale structure. These, however, are limited by the hardware of computational clusters, and the efficiency of N-body simulation codes. To address the latter of these issues one can change the time-stepping in these N-body simulations, to maintain (or even improve) the accuracy of these, reducing the amount of time steps necessary through the use of Lagrangian perturbation theory. This master thesis then primarily, presents the theory behind the upgraded version of the Lagrangian perturbation theory informed BullFrog integrator scheme as implemented into the university of Vienna’s cosmology group’s simulation ecosystem Disco-DJ (Differentiable Simulations in COsmology, Done by Jax), and the tests of this implementation. This upgrade includes a dynamical dark energy model, as given through the Chevallier-Polarski-Linder parametrisation with the addition of non-zero curvature. Secondly, it discusses new theoretical insights, which will be relevant for the implementations of further models into the BullFrog integration scheme. We find that our BullFrog implementation’s non-linear power spectrum, assuming a dynamical dark energy model, is consistent with the non-linear-power spectrum of "baccoemu" within 1% on linear scales and shows a significant improvement in accuracy to the FastPM integration scheme, where roughly half as many BullFrog steps are required to reach the same accuracy, therefore also reducing the simulation duration significantly.
Keywords (deu)
KosmologieLagrangesche StörungstheorieDunkle EnergieSimulationen
Keywords (eng)
CosmologyLagrangian perturbation theoryDark energySimulations
Subject (deu)
Subject (deu)
Subject (deu)
Type (deu)
Persistent identifier
Number of pages
92
Association (deu)
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