Dissipative losses in self-interacting Dark Matter collisions

Abstract

Selbst-Wechselwirkungen von Dunkler Materie werden häufig zur Erklärung der Kleinstrukturprobleme im Universum verwendet. Sie könnten wichtige Auswirkungen auf die Entstehung und Entwicklung von Strukturen haben, von Zwerggalaxien bis großen Galaxienhaufen. In dieser Arbeit werden die Auswirkungen von Bremsstrahlung in Kollisionen von selbst-wechselwirkender Dunkler Materie auf die Strukturbildung im Universum analysiert. Zu diesem Zweck werden vier verschiedene Dunkle Materie Modelle störungstheoretisch im nicht-relativistischen und nicht-entarteten Regime untersucht. Wirkungsquerschnitte und Energieverlustraten werden analytisch für alle Modelle berechnet. Für verschwindende Masse des Austausch- und emittierten Teilchens werden analytische Lösungen angegeben, während für endliche Massen auf numerische Lösungsverfahren zurückgegriffen wird. Um die Wirkung der Strahlungskühlung eines Dunkle-Materie-Gases auf die Strukturbildung zu analysieren, wird die Abkühlzeit basierend auf störungstheoretischen Berechnungen mit der Zeitskala elastischer Streuungen, der Hubble-Zeit und der gravitativen Zeitskala verglichen.

Dark matter self-interactions are frequently put forward in the explanation of small structure problems in the universe. They could have important implications on the formation and evolution of structures, from dwarf galaxies to large galaxy clusters. In this thesis, the effects of bremsstrahlung in self-interacting dark matter collisions on structure formation are analyzed. For that purpose, four different dark matter models are studied perturbatively in a non-relativistic and non-degenerate limit. Cross sections and energy loss rates are calculated analytically for all models for vanishing masses of the mediator and emitted particle and numerically for finite masses. To analyze the effect of radiative cooling on structure formation, the cooling time of a gas of dark matter particles, based on perturbative calculations, is compared to the elastic scattering time scale, the Hubble time and the gravitational timescale.