Alexander Knebe

• “Computational Cosmology” is the modeling of structure formation in the Universe by means of numerical simulations. These simulations can be considered as the only “experiment” to verify theories of the origin and evolution of the Universe. Over the last 30 years great progress has been made in the development of computer codes that model the evolution of dark matter (as well as gas physics) on cosmic scales and new research discipline has established itself. After a brief summary of cosmology we will introduce the concepts behind such simulations. We further present a novel computer code for numerical simulations of cosmic structure formation that utilizes adaptive grids to efficiently distribute the work and focus the computing power to regions of interests, respectively. In that regards we also investigate various (numerical) effects that influence the credibility of these simulations and elaborate on the procedure of how to setup their initial conditions. And as running a simulation is only the first step to modelling cosmological“Computational Cosmology” is the modeling of structure formation in the Universe by means of numerical simulations. These simulations can be considered as the only “experiment” to verify theories of the origin and evolution of the Universe. Over the last 30 years great progress has been made in the development of computer codes that model the evolution of dark matter (as well as gas physics) on cosmic scales and new research discipline has established itself. After a brief summary of cosmology we will introduce the concepts behind such simulations. We further present a novel computer code for numerical simulations of cosmic structure formation that utilizes adaptive grids to efficiently distribute the work and focus the computing power to regions of interests, respectively. In that regards we also investigate various (numerical) effects that influence the credibility of these simulations and elaborate on the procedure of how to setup their initial conditions. And as running a simulation is only the first step to modelling cosmological structure formation we additionally developed an object finder that maps the density field onto galaxies and galaxy clusters and hence provides the link to observations. Despite the generally accepted success of the cold dark matter cosmology the model still inhibits a number of deviations from observations. Moreover, none of the putative dark matter particle candidates have yet been detected. Utilizing both the novel simulation code and the halo finder we perform and analyse various simulations of cosmic structure formation investigating alternative cosmologies. These include warm (rather than cold) dark matter, features in the power spectrum of the primordial density perturbations caused by non-standard inflation theories, and even modified Newtonian dynamics. We compare these alternatives to the currently accepted standard model and highlight the limitations on both sides; while those alternatives may cure some of the woes of the standard model they also inhibit difficulties on their own. During the past decade simulation codes and computer hardware have advanced to such a stage where it became possible to resolve in detail the sub-halo populations of dark matter halos in a cosmological context. These results, coupled with the simultaneous increase in observational data have opened up a whole new window on the concordance cosmogony in the field that is now known as “Near-Field Cosmology”. We will present an in-depth study of the dynamics of subhaloes and the development of debris of tidally disrupted satellite galaxies.1 Here we postulate a new population of subhaloes that once passed close to the centre of their host and now reside in the outer regions of it. We further show that interactions between satellites inside the radius of their hosts may not be negliable. And the recovery of host properties from the distribution and properties of tidally induced debris material is not as straightforward as expected from simulations of individual satellites in (semi-)analytical host potentials.…
• Die Kosmologie ist heutzutage eines der spannendsten Arbeitsgebiete in der Astronomie und Astrophysik. Das vorherrschende (Urknall-)Modell in Verbindung mit den neuesten und präzisesten Beobachtungsdaten deutet darauf hin, daß wir in einem Universum leben, welches zu knapp 24% aus Dunkler Materie und zu 72% aus Dunkler Energie besteht; die sichtbare Materie macht gerade einmal 4% aus. Und auch wenn uns derzeit eindeutige bzw. direkte Beweise für die Existenz dieser beiden exotischen Bestandteile des Universums fehlen, so ist es uns dennoch möglich, die Entstehung von Galaxien, Galaxienhaufen und der großräumigen Struktur in solch einem Universum zu modellieren. Dabei bedienen sich Wissenschaftler Computersimulationen, welche die Strukturbildung in einem expandierenden Universum mittels Großrechner nachstellen; dieses Arbeitsgebiet wird Numerische Kosmologie bzw. “Computational Cosmology” bezeichnet und ist Inhalt der vorliegenden Habilitationsschrift. Nach einer kurzen Einleitung in das Themengebiet werden die Techniken zurDie Kosmologie ist heutzutage eines der spannendsten Arbeitsgebiete in der Astronomie und Astrophysik. Das vorherrschende (Urknall-)Modell in Verbindung mit den neuesten und präzisesten Beobachtungsdaten deutet darauf hin, daß wir in einem Universum leben, welches zu knapp 24% aus Dunkler Materie und zu 72% aus Dunkler Energie besteht; die sichtbare Materie macht gerade einmal 4% aus. Und auch wenn uns derzeit eindeutige bzw. direkte Beweise für die Existenz dieser beiden exotischen Bestandteile des Universums fehlen, so ist es uns dennoch möglich, die Entstehung von Galaxien, Galaxienhaufen und der großräumigen Struktur in solch einem Universum zu modellieren. Dabei bedienen sich Wissenschaftler Computersimulationen, welche die Strukturbildung in einem expandierenden Universum mittels Großrechner nachstellen; dieses Arbeitsgebiet wird Numerische Kosmologie bzw. “Computational Cosmology” bezeichnet und ist Inhalt der vorliegenden Habilitationsschrift. Nach einer kurzen Einleitung in das Themengebiet werden die Techniken zur Durchführung solcher numerischen Simulationen vorgestellt. Die Techniken zur Lösung der relevanten (Differential-)Gleichungen zur Modellierung des “Universums im Computer” unterscheiden sich dabei teilweise drastisch voneinander (Teilchen- vs. Gitterverfahren), und es werden die verfahrenstechnischen Unterschiede herausgearbeitet. Und obwohl unterschiedliche Programme auf unterschiedlichen Methoden basieren, so sind die Unterschiede in den Endergebnissen doch (glücklicherweise) vernachlässigbar gering. Wir stellen desweiteren einen komplett neuen Code – basierend auf dem Gitterverfahren – vor, welcher einen Hauptbestandteil der vorliegenden Habilitation darstellt. Im weiteren Verlauf der Arbeit werden diverse kosmologische Simulationen vorgestellt und ausgewertet. Dabei werden zum einen die Entstehung und Entwicklung von Satellitengalaxien – den (kleinen) Begleitern von Galaxien wie unserer Milchstraße und der Andromedagalaxie – als auch Alternativen zum oben eingeführten “Standardmodell” der Kosmologie untersucht. Es stellt sich dabei heraus, daß keine der (hier vorgeschlagenen) Alternativen eine bedrohliche Konkurenz zu dem Standardmodell darstellt. Aber nichtsdestoweniger zeigen die Rechnungen, daß selbst so extreme Abänderungen wie z.B. modifizierte Newton’sche Dynamik (MOND) zu einem Universum führen können, welches dem beobachteten sehr nahe kommt. Die Ergebnisse in Bezug auf die Dynamik der Satellitengalaxien zeigen auf, daß die Untersuchung der Trümmerfelder von durch Gezeitenkräfte zerriebenen Satellitengalaxien Rückschlüsse auf Eigenschaften des ursprünglichen Satelliten zulassen. Diese Tatsache wird bei der Aufschlüsselung der Entstehungsgeschichte unserer eigenen Milchstraße von erheblichem Nutzen sein. Trotzdem deuten die hier vorgestellten Ergebnisse auch darauf hin, daß dieser Zusammenhang nicht so eindeutig ist, wie er zuvor mit Hilfe kontrollierter Einzelsimulationen von Satellitengalaxien in analytischen “Mutterpotentialen” vorhergesagt wurde: Das Zusammenspiel zwischen den Satelliten und der Muttergalaxie sowie die Einbettung der Rechnungen in einen kosmologischen Rahmen sind von entscheidender Bedeutung.…